WO2004066485A1 - Power supply system comprising a step-up converter - Google Patents

Power supply system comprising a step-up converter Download PDF

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WO2004066485A1
WO2004066485A1 PCT/EP2003/000495 EP0300495W WO2004066485A1 WO 2004066485 A1 WO2004066485 A1 WO 2004066485A1 EP 0300495 W EP0300495 W EP 0300495W WO 2004066485 A1 WO2004066485 A1 WO 2004066485A1
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WO
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drive unit
supply system
power supply
generator
converter
Prior art date
Application number
PCT/EP2003/000495
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Marco Honsberg
Original Assignee
Impex Honsberg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator

Definitions

  • the present invention relates to a voltage supply system according to the features of the preamble of claim 1.
  • the invention relates to the field of inverted electrical power generators. This technology largely decouples the voltage and frequency provided at the output of the power generator from the actual speed of the drive unit or the coupled generator.
  • Claw pole generators are usually used today to generate the electrical energy required in the motor vehicle. These claw-pole generators are three-phase generators, the output current of which is oden vite is rectified. The rectified current is then used to supply the vehicle's electrical consumers and to charge the battery.
  • Such a three-phase generator comprises a field coil through which the field current flows. The field current is regulated with the aid of a voltage regulator so that the output voltage of the generator is approximately constant regardless of the speed of the generator. Due to the high output of the motor vehicle engine that drives the three-phase generator, it is generally always ensured that the power required by the vehicle electrical system is significantly lower than the power available from the internal combustion engine of the motor vehicle.
  • DE 198 45 569 shows a device and a method for regulating a generator, for example a three-phase generator that can be driven by an internal combustion engine, the use of which is also possible with a conventional generator, so that even with a claw-pole generator which is suitable for a 12 V Vehicle electrical system is optimized, a voltage adaptation to an electrical system with a higher voltage level, for example approximately 42 V, can take place.
  • a step-up converter topology is used, as is shown in FIG. 2.
  • the terminal voltage of the generator 7 is rectified by means of a rectifier bridge.
  • the rectified current flows through the coil 9, which tries to always maintain the current flow.
  • the generator 7 is boosted by briefly shorting the rectifier bridge 8 by means of the switch 10.
  • a step-down converter topology can also be used, as is shown in FIG. 1.
  • the terminal voltages of the generator 1 are rectified and smoothed by means of a rectifier bridge consisting of diodes 2 and thyristors 3 using a smoothing capacitor 4, so that an intermediate circuit voltage 5 is set which, due to the circuit, is less than or equal to the rectified generator voltage is.
  • drive units such as. B. small internal combustion engines selected
  • the mechanical performance is limited and are designed in particular for the nominal load operation.
  • a generator with high-performance magnets is used, which leads to a very strong coupling between the mechanically supplied power and the electrical energy generated.
  • an efficiency of over 90% is achieved.
  • the generator can be overloaded for a short time.
  • the generator can also operate at speeds that are clearly below the nominal speed, but still supply the nominal voltage of the DC link in order to keep the output voltage of the inverter stable.
  • the drive unit e.g. B. in the form of an internal combustion engine, the limiting factor for the minimum operating speed.
  • the energy consumed by the load can therefore be greater than the energy mechanically provided by the drive unit, so that the drive unit is braked strongly and, in the worst case, comes to a standstill.
  • K is a proportionality factor
  • the object of the present invention is to provide a voltage supply system having a step-up converter topology in which the drive unit is optimized exclusively for the generation of the electrical energy of a specific load, braking of the drive unit depending on the load being applied being reliably avoided.
  • the circuit structure of the voltage supply system according to the invention is characterized in that with the aid of the measured speed, the output power and the intermediate circuit voltage and the description of the system of drive unit and generator stored in software, the lowest possible speed of the motor is determined and controlled, and at the same time the switch of the step-up is controlled such that there is a stable output voltage at the output of the converter.
  • the voltage supply system according to the invention advantageously detects an output load which is too high for the current operating point and controls the switch of the step-up converter in such a way that on the one hand the motor can accelerate to the new optimum speed and on the other hand the output voltage drops only as little as possible.
  • the drive unit may be accelerated to set a new operating point at which the mechanical power generated by the drive unit corresponds to the sum of the power consumed by the load and the mechanical losses of the system.
  • the voltage supply system advantageously has a controller which regulates the optimum operating point of the drive unit and the optimum switching times of the switching element of the step-up converter for the instantaneous output load.
  • the control advantageously uses a knowledge database (knowledge base), which describes the behavior of the drive unit in various operating states.
  • a knowledge base for the behavior of the generator or the overall system or additional system components can also advantageously be used.
  • the control advantageously determines and regulates the lowest possible speed of the drive unit required for the current output load, the switching times of the switching element being selected at the same time in such a way that a stable output voltage results at the step-up converter.
  • the rotational speed of the drive unit in particular of an internal combustion engine, can advantageously be kept as low as possible, thereby there is little wear, low consumption and low noise emissions.
  • the mechanical energy stored in the system can be used for a short time without increasing the speed of the drive unit in order to provide the necessary electrical power. If it turns out that the mechanical energy is not sufficient to provide the energy required by the load without braking the drive unit below a critical value, the drive unit can be accelerated and / or the output voltage at the inverter or the intermediate circuit voltage can be regulated down.
  • the control system can control the switching element of the step-up converter in such a way that a lower output voltage is established at the inverter. This prevents the electrical power consumed by the load from becoming greater than the maximum mechanical power that can be made available by the drive unit, so that standstill of the drive unit or operation of the drive unit below a minimum speed is reliably avoided and the drive unit is reliably accelerated can be.
  • the output voltage can be kept at the reduced level by the control. However, it is also possible to continuously increase the output voltage at the inverter during the acceleration process, if the drive unit allows this.
  • the control advantageously determines the intermediate circuit voltage and the power output by the inverter as well as the speed of the drive unit continuously or in discrete time segments.
  • the control system accesses the knowledge databases of the drive unit or the generator.
  • the controller controls the switching element of the step-up converter and regulates the new operating point or the new speed of the drive unit.
  • the controller also processes other input variables and output variables, such as e.g. the temperature of the drive unit and / or the generator.
  • 3 shows a block diagram of the voltage supply system according to the invention
  • 4 a block diagram of the voltage supply system according to the invention.
  • the voltage supply system has a drive unit 20 which drives a generator 21 via a mechanical shaft 20a.
  • the terminal voltage of the generator is applied via feed lines 21a to a rectifier bridge 22 consisting of six diodes.
  • the rectifier bridge 22 can be followed by a coil 23. However, the function of the coil 23 can also be taken over by the stator windings of the generator 21.
  • a controllable switching element 24 can briefly short-circuit the output terminals of the rectifier circuit 22.
  • a controller 29 determines the intermediate circuit voltage 27 by means of a measuring device 31, not shown in detail.
  • the controller 29 also determines the output power output by the inverter by means of a device 32, also not shown in detail.
  • a device 33 measures the speed of the drive unit 20 of the determined state of the system, the controller 29 determines the optimal operating point of the drive unit 20 and the duty cycle of the switching element 24.
  • the knowledge database 35 contains information about the functional relationship between the power available at the output shaft at certain speeds and the acceleration behavior of the drive unit and its temperature behavior.
  • the knowledge database 36 includes, among other things, the functional relationship between the voltage frequency characteristic and the output current of the generator within its working range.
  • the controller 29 then generates a control signal 30 by means of which the switching element 24 is activated.
  • the controller generates a control signal 34 for the drive unit 20, by means of which the new operating point of the drive unit 20 is specified or adjusted.
  • FIG. 4 shows a possible block diagram of the control for generating the control signal 30 for the switching element 24 and the control signal 34 for setting the required speed of the drive unit.
  • the measured operating parameters, the temperature ⁇ eng i ne (20b) and the rotational speed ⁇ (33) of the drive unit are transferred to the knowledge database 35, on the basis of which the knowledge database 35 determines the torque T currently available from the drive unit.
  • the product of the determined torque T and the speed ⁇ gives the power P e that can be made available by the drive unit.
  • the product P e is transferred to the knowledge database 36, which describes the generator, after which the power P g that can currently be generated electrically is then compared with the power Pi (32) required by the load.
  • the control tion with the function block 29c the required or required intermediate circuit voltage of the inverter.
  • the required intermediate circuit voltage is transferred to the function block 29g, after which the switching times of the switching element 24 are then determined on the basis of the actually determined actual intermediate circuit voltage 31, and the control signal 30 for actuating the switching element 24 is generated.
  • the required speed ⁇ tar get of the drive unit is determined using the knowledge databases 35, 36. This is compared with the current speed ⁇ , after which a speed controller 29d together with a throttle signal generator 29f generates a signal for actuating the throttle valve actuator, after which the throttle valve 20d is then set in accordance with the required speed ⁇ ta rg et .
  • control can also be constructed differently in order to fulfill the desired properties.
  • Additional functional blocks are included to take into account further operating parameters and / or functional relationships of the system.

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

The invention relates to a power supply system comprising a generator that is driven by a drive unit, a converter for rectifying a generator output current, a switch element by means of which the output of the converter can be short-circuited, and a control mechanism that sets or regulates the speed of the drive unit and the switching times of the switch element according to the load attached to the power supply system.

Description

Spannungsversorgungssystem mit HochsetzstellerPower supply system with step-up converter
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spannungsversorgungssystem gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The present invention relates to a voltage supply system according to the features of the preamble of claim 1.
Die Erfindung betrifft den Bereich der invertisierten e- lektrischen Stromerzeuger. Diese Technologie entkoppelt weitestgehend die am Ausgang des Stromerzeugers bereitgestellte Spannung und Frequenz von der tatsächlichen Drehzahl der Antriebseinheit bzw. des angekoppelten Generators .The invention relates to the field of inverted electrical power generators. This technology largely decouples the voltage and frequency provided at the output of the power generator from the actual speed of the drive unit or the coupled generator.
So werden zur Erzeugung der im Kraftfahrzeug benötigten elektrischen Energie heute üblicherweise Klauenpolgenera- toren eingesetzt. Diese Klauenpolgeneratoren sind Drehstromgeneratoren, deren Ausgangsstrom mit Hilfe einer Di- odenbrücke gleichgerichtet wird. Der gleichgerichtete Strom wird dann zur Versorgung der elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs sowie zur Ladung der Batterie verwendet. Ein solcher Drehstromgenerator umfasst eine Feldspule, die vom Feldstrom durchflössen wird. Der Feldstrom wird mit Hilfe eines Spannungsreglers so geregelt, dass die Ausgangsspannung des Generators, unabhängig von der Drehzahl des Generators, etwa konstant ist. Bedingt durch die große Leistung des Kraftfahrzeugmotors, welcher den Drehstromgenerator antreibt, ist in der Regel stets gewährleistet, dass die vom Bordnetz benötigte Leistung wesentlich geringer ist als die vom Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs zur Verfügung stehende Leistung. Die DE 198 45 569 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung eines Generators, beispielsweise eines von einer Brennkraftmaschine antreibbaren Drehstromgenerators, dessen Einsatz auch bei einem herkömmlichen Generator möglich ist, so dass auch bei einem Klauenpolgenera- tor, welcher für ein 12-V-Bordnetz optimiert ist, eine Spannungsanpassung an ein Bordnetz mit einer höheren Spannungsebene, beispielsweise etwa 42 V erfolgen kann. Dies ist möglich, da eine Hochsetzstellertopologie verwendet wird, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Klemmenspannung des Generators 7 wird mittels einer Gleichrichterbrücke gleichgerichtet. Der gleichgerichtete Strom durchfließt die Spule 9, welche versucht, den Stromfluss stets aufrechtzuerhalten. Durch kurzzeitiges Kurzschließen der Gleichrichterbrücke 8 mittels des Schalters 10 wird der Generator 7 geboostet. Solange der Energiefluss vom Generator zum Kondensator 12, bzw. Inverter 14 unterbrochen ist, wird die erzeugte Energie in den Ständerwicklungen des Generators 7 zwischengespeichert. Die sogenannte Strangspannung wird dadurch erhöht. Das Tastver- hältnis des Schalters 10 erfolgt dabei in der Weise, dass die Zwischenkreisspannung 13 den geforderten Wert einnimmt .Claw pole generators are usually used today to generate the electrical energy required in the motor vehicle. These claw-pole generators are three-phase generators, the output current of which is odenbrücke is rectified. The rectified current is then used to supply the vehicle's electrical consumers and to charge the battery. Such a three-phase generator comprises a field coil through which the field current flows. The field current is regulated with the aid of a voltage regulator so that the output voltage of the generator is approximately constant regardless of the speed of the generator. Due to the high output of the motor vehicle engine that drives the three-phase generator, it is generally always ensured that the power required by the vehicle electrical system is significantly lower than the power available from the internal combustion engine of the motor vehicle. DE 198 45 569 shows a device and a method for regulating a generator, for example a three-phase generator that can be driven by an internal combustion engine, the use of which is also possible with a conventional generator, so that even with a claw-pole generator which is suitable for a 12 V Vehicle electrical system is optimized, a voltage adaptation to an electrical system with a higher voltage level, for example approximately 42 V, can take place. This is possible because a step-up converter topology is used, as is shown in FIG. 2. The terminal voltage of the generator 7 is rectified by means of a rectifier bridge. The rectified current flows through the coil 9, which tries to always maintain the current flow. The generator 7 is boosted by briefly shorting the rectifier bridge 8 by means of the switch 10. As long as the energy flow from the generator to the capacitor 12 or inverter 14 is interrupted, the energy generated is temporarily stored in the stator windings of the generator 7. This increases the so-called string tension. The tactile Ratio of the switch 10 takes place in such a way that the intermediate circuit voltage 13 assumes the required value.
Sofern die Zwischenkreisspannung nicht höher sein rauss als die gleichgerichtete Spannung des Generators, kann auch eine Tiefsetzstellertopologie verwendet werden, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Bei einem derartigen Tief- setzsteller werden die Klemmenspannungen des Generators 1 mittels einer Gleichrichterbrücke, bestehend aus Dioden 2 und Thyristoren 3 unter Verwendung eines Glättungskonden- sators 4 gleichgerichtet und geglättet, so dass sich eine Zwischenkreisspannung 5 einstellt, die schaltungsbedingt kleiner oder gleich der gleichgerichteten Generatorspannung ist.If the intermediate circuit voltage is not higher than the rectified voltage of the generator, a step-down converter topology can also be used, as is shown in FIG. 1. In such a step-down converter, the terminal voltages of the generator 1 are rectified and smoothed by means of a rectifier bridge consisting of diodes 2 and thyristors 3 using a smoothing capacitor 4, so that an intermediate circuit voltage 5 is set which, due to the circuit, is less than or equal to the rectified generator voltage is.
In der Regel werden für invertisierte Stromerzeuger Antriebseinheiten, wie z. B. kleine Verbrennungsmotoren gewählt, deren mechanische Leistung begrenzt ist und insbesondere für den Nennlastbetrieb ausgelegt sind. Um die Schall- und Abgasemission zu verringern und gleichzeitig die Lebensdauer des Verbrennungsmotors zu erhöhen, ist es von Vorteil, die Drehzahl der Antriebseinheit bis auf nahezu die Drehzahl zu reduzieren, die für die Ausgangsleistung für den angeschlossenen Verbraucher erforderlich ist und gleichzeitig ausreicht, um die mechanischen Verluste zu decken. In der Regel wird dabei ein Generator mit Hochleistungsmagneten verwendet, der zu einer sehr starken Kopplung zwischen der mechanisch zugeführten Leistung und der erzeugten elektrischen Energie führt. Hierbei wird idR ein Wirkungsgrad von über 90 % erreicht. Der Generator ist dabei kurzzeitig hoch überlastbar. In Verbindung mit der in Fig. 2 dargestellten Hochsetzstel- lertopologie kann der Generator auch bei Drehzahlen, die deutlich unterhalb der Nenndrehzahl liegen, trotzdem die Nennspannung des Zwischenkreises liefern, um die Ausgangsspannung des Inverters stabil zu halten. Hieraus ergibt sich der direkte Vorteil, dass der Generator mit deutlich geringerer Drehzahl die am Ausgang abgeforderte Leistung zumindest kurzfristig bereitstellen kann, als dies mit einem nach dem Tiefsetzstellerprinzip arbeitenden System möglich wäre. Hierbei ist lediglich die Antriebseinheit, z. B. in Form eines Verbrennungsmotors, der begrenzende Faktor für die minimale Betriebsdrehzahl. Durch die Verwendung eines Generators mit sehr hohem Wirkungsgrad kann somit die von der Last verbrauchte Energie größer sein als die von der Antriebseinheit mechanisch zur Verfügung gestellte Energie, so dass die Antriebseinheit stark abgebremst wird und schlimmstenfalls zum Stillstand gelangt. Je geringer die mechanische Energie im System, das heißt je kleiner die Drehzahlen der Antriebseinheit bzw. des Generators, desto kritischer ist das Zuschalten von zusätzlicher Last. Der verwendete Hochsetzsteller ist derart ausgelegt, dass er auch bei größeren Lasten versucht die Zwischenkreisspannung aufrechtzuerhalten, so dass es zu einem starken Abbremsen und schließlich zum Stillstand der Antriebseinheit kommt. Aufgrund dieses Problems werden heutige invertisierte Stromerzeuger, deren Verbrennungsmotoren ausschließlich so bemessen sind, die elektrische Ausgangsleistung eines an die Welle gekoppelten Generators bereitzustellen, ausschließlich mit einer Tiefsetzstellertopologie gemäß der Fig. 1 betrieben, da hier eine Primärregelung durch die Spannungsabhängigkeit der Last stattfindet, wenn die Zwischenkreisspannung und damit die Ausgangsspannung des Inverters in Folge des langsamer werdenden Motors sinkt. Durch den Zusammenhang P = U 2 /R ,In general, drive units, such as. B. small internal combustion engines selected, the mechanical performance is limited and are designed in particular for the nominal load operation. In order to reduce noise and exhaust emissions and at the same time increase the service life of the internal combustion engine, it is advantageous to reduce the speed of the drive unit to almost the speed that is required for the output power for the connected consumer and at the same time is sufficient to achieve the to cover mechanical losses. As a rule, a generator with high-performance magnets is used, which leads to a very strong coupling between the mechanically supplied power and the electrical energy generated. As a rule, an efficiency of over 90% is achieved. The generator can be overloaded for a short time. In conjunction with the step-up converter topology shown in FIG. 2, the generator can also operate at speeds that are clearly below the nominal speed, but still supply the nominal voltage of the DC link in order to keep the output voltage of the inverter stable. This results in the direct advantage that the generator can provide the output demanded at the output at a significantly lower speed, at least for a short time, than would be possible with a system based on the buck converter principle. Here, only the drive unit, e.g. B. in the form of an internal combustion engine, the limiting factor for the minimum operating speed. By using a generator with a very high efficiency, the energy consumed by the load can therefore be greater than the energy mechanically provided by the drive unit, so that the drive unit is braked strongly and, in the worst case, comes to a standstill. The lower the mechanical energy in the system, i.e. the lower the speed of the drive unit or the generator, the more critical it is to switch on additional loads. The step-up converter used is designed in such a way that it tries to maintain the DC link voltage even with larger loads, so that the drive unit brakes sharply and ultimately comes to a standstill. Because of this problem, today's inverted power generators, whose internal combustion engines are only dimensioned to provide the electrical output power of a generator coupled to the shaft, are operated exclusively with a buck converter topology according to FIG. 1, since primary regulation takes place here due to the voltage dependence of the load when the DC link voltage and thus the output voltage of the inverter drops as a result of the slowing down motor. By context P = U 2 / R,
wobei P die entnommene Leistung, U die Ausgangsspannung des Inverters und R der Lastwiderstand ist, sowie der Beziehungwhere P is the power drawn, U is the output voltage of the inverter and R is the load resistance, and the relationship
Q Generator = K X Drehzahl ,Q generator = K X speed,
wobei K ein Proportionalitätsfaktor ist, ist stets gewährleistet, dass die entnehmbare Leistung durch die Last stets unterhalb der drehzahlabhängigen Leistung des Verbrennungsmotors liegt, wodurch sich bei erhöhter Last lediglich eine niedrigere Drehzahl der Antriebseinheit einstellt, jedoch die Antriebseinheit nicht bis zum Stillstand abgebremst wird.where K is a proportionality factor, it is always ensured that the power that can be drawn from the load is always below the speed-dependent power of the internal combustion engine, which means that when the load is increased, only a lower speed of the drive unit is set, but the drive unit is not braked to a standstill.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Spannungsversorgungssystem, eine Hochsetzstellertopologie aufweisend, bereitzustellen, bei der die Antriebseinheit ausschließlich für die Erzeugung der elektrischen Energie einer bestimmten Last optimiert ist, wobei ein Abbremsen der Antriebseinheit in Abhängigkeit von der aufgeschalteten Last sicher vermieden wird.The object of the present invention is to provide a voltage supply system having a step-up converter topology in which the drive unit is optimized exclusively for the generation of the electrical energy of a specific load, braking of the drive unit depending on the load being applied being reliably avoided.
Diese Aufgabe wird mittels eines erfindungsgemäßen Spannungsversorgungssystems gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Unteransprüche.This object is achieved by means of a voltage supply system according to the invention in accordance with the features of claim 1. Advantageous further refinements result from the features of the dependent subclaims.
Die erfindungsgemäße Schaltungsstruktur des Spannungsversorgungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der gemessenen Drehzahl, der Ausgangsleistung sowie der Zwischenkreisspannung und der in Software abgelegten Beschreibung des Systems aus Antriebseinheit und Generator die geringstmögliche Drehzahl des Motors bestimmt und angesteuert sowie gleichzeitig der Schalter des Hochsetz- stellers derart angesteuert wird, dass sich eine stabile Ausgangsspannung am Ausgang des Konverters ergibt. Das erfindungsgemäße Spannungsversorgungssystem erkennt vorteilhaft eine für den momentanen Betriebspunkt zu hohe Ausgangslast und steuert den Schalter des Hochsetzstel- lers derart an, dass einerseits der Motor bis zur neuen optimalen Drehzahl beschleunigen kann und andererseits die Ausgangsspannung nur geringstmöglich sinkt. Gleichzeitig wird die Antriebseinheit eventuell beschleunigt, um einen neuen Betriebspunkt einzustellen, bei dem die von der Antriebseinheit erzeugte mechanische Leistung der Summe der von der Last verbrauchten Leistung sowie der mechanischen Verluste des Systems entspricht. Hierzu weist das Spannungsversorgungssystem vorteilhaft eine Steuerung auf, die für die momentane Ausgangslast den optimalen Betriebspunkt der Antriebseinheit sowie die optimalen Schaltzeiten des Schaltelements des Hochsetzstel- lers einregelt. Hierzu greift die Steuerung vorteilhaft auf eine Wissensdatenbank (Knowledge-Base) , welche das Verhalten der Antriebseinheit bei verschiedenen Betriebs- zuständen beschreibt, zurück. Ebenso kann vorteilhaft eine Knowledge-Base für das Verhalten des Generators bzw. das Gesamtsystem oder zusätzliche Systemkomponenten verwendet werden.The circuit structure of the voltage supply system according to the invention is characterized in that with the aid of the measured speed, the output power and the intermediate circuit voltage and the description of the system of drive unit and generator stored in software, the lowest possible speed of the motor is determined and controlled, and at the same time the switch of the step-up is controlled such that there is a stable output voltage at the output of the converter. The voltage supply system according to the invention advantageously detects an output load which is too high for the current operating point and controls the switch of the step-up converter in such a way that on the one hand the motor can accelerate to the new optimum speed and on the other hand the output voltage drops only as little as possible. At the same time, the drive unit may be accelerated to set a new operating point at which the mechanical power generated by the drive unit corresponds to the sum of the power consumed by the load and the mechanical losses of the system. For this purpose, the voltage supply system advantageously has a controller which regulates the optimum operating point of the drive unit and the optimum switching times of the switching element of the step-up converter for the instantaneous output load. For this purpose, the control advantageously uses a knowledge database (knowledge base), which describes the behavior of the drive unit in various operating states. A knowledge base for the behavior of the generator or the overall system or additional system components can also advantageously be used.
Vorteilhaft bestimmt die Steuerung die für die momentane Ausgangslast erforderliche geringstmögliche Geschwindigkeit der Antriebseinheit und regelt diese ein, wobei gleichzeitig die Schaltzeiten des Schaltelements so gewählt werden, dass sich eine stabile Ausgangsspannung am Hochsetzsteller ergibt. Hierdurch kann vorteilhaft die Drehzahl der Antriebseinheit, insbesondere eines Verbrennungsmotors möglichst gering gehalten werden, wodurch sich ein geringer Verschleiß, ein geringer Verbrauch und eine geringe Lärmemission ergeben.The control advantageously determines and regulates the lowest possible speed of the drive unit required for the current output load, the switching times of the switching element being selected at the same time in such a way that a stable output voltage results at the step-up converter. As a result, the rotational speed of the drive unit, in particular of an internal combustion engine, can advantageously be kept as low as possible, thereby there is little wear, low consumption and low noise emissions.
In einer möglichen Ausführungsform kann, sofern eine nur kurzeitige Lastüberhöhung vom System festgestellt wird, die im System gespeicherte mechanische Energie kurzfristig ohne Erhöhung der Drehzahl der Antriebseinheit genutzt werden, um die nötige elektrische Leistung bereitzustellen. Sollte sich herausstellen, dass die mechanische Energie nicht ausreicht, die von der Last benötigte Energie ohne ein Abbremsen der Antriebseinheit unter einen kritischen Wert bereitzustellen, kann die Antriebseinheit beschleunigt werden und/oder die Ausgangsspannung am Inverter bzw. die Zwischenkreisspannung heruntergeregelt werden.In one possible embodiment, provided that the system detects only a brief increase in load, the mechanical energy stored in the system can be used for a short time without increasing the speed of the drive unit in order to provide the necessary electrical power. If it turns out that the mechanical energy is not sufficient to provide the energy required by the load without braking the drive unit below a critical value, the drive unit can be accelerated and / or the output voltage at the inverter or the intermediate circuit voltage can be regulated down.
Sofern eine Überlastung des Spannungsversorgungssystems von der Steuerung festgestellt wird, bei der ein Beschleunigen der Antriebseinheit nicht mehr möglich ist, kann die Steuerung das Schaltelement des Hochsetzstellers derart ansteuern, dass sich eine geringere Ausgangsspannung am Inverter einstellt. Hierdurch wird vermieden, dass die von der Last verbrauchte elektrische Leistung größer wird als die maximal von der Antriebseinheit zur Verfügung stellbare mechanische Leistung, so dass ein Stillstand der Antriebseinheit bzw. ein Betrieb der Antriebseinheit unterhalb einer minimalen Drehzahl sicher vermieden wird und die Antriebseinheit sicher beschleunigt werden kann. Während des Beschleunigungsvorgangs der Antriebseinheit kann die Ausgangsspannung von der Steuerung auf dem heruntergeregelten Niveau gehalten werden. Es ist jedoch auch möglich, die Ausgangsspannung am Inverter während des Beschleunigungsvorgangs kontinuierlich zu erhöhen, sofern die Antriebseinheit dies zulässt. In jedem Fall ist darauf zu achten, dass die Wissensdatenbank (en), auf die die Steuerung zurückgreift, möglichst viele Betriebszustände beinhaltet, bzw. das Betriebsverhalten der Antriebseinheit bzw. des Generators und des Hochsetzstellers funktional beschreibt, damit bei allen denkbaren Lastzuständen und/oder Lastwechseln das Spannungsversorgungssystem stabil angesteuert bzw. eingeregelt werden kann.If the control system determines that the voltage supply system is overloaded and the drive unit can no longer be accelerated, the control system can control the switching element of the step-up converter in such a way that a lower output voltage is established at the inverter. This prevents the electrical power consumed by the load from becoming greater than the maximum mechanical power that can be made available by the drive unit, so that standstill of the drive unit or operation of the drive unit below a minimum speed is reliably avoided and the drive unit is reliably accelerated can be. During the acceleration process of the drive unit, the output voltage can be kept at the reduced level by the control. However, it is also possible to continuously increase the output voltage at the inverter during the acceleration process, if the drive unit allows this. In any case, care must be taken to ensure that the knowledge database (s) used by the control system contain as many operating states as possible, or that they functionally describe the operating behavior of the drive unit or the generator and the step-up converter, so that they are suitable for all conceivable load states and / or Load changes the voltage supply system can be controlled or regulated stably.
Die Steuerung ermittelt vorteilhaft fortlaufend oder in diskreten Zeitabschnitten die Zwischenkreisspannung sowie die vom Inverter abgegebene Leistung sowie die Drehzahl der Antriebseinheit. Gleichzeitig greift die Steuerung auf die Wissensdatenbanken der Antriebseinheit bzw. des Generators zurück. Im einfachsten Fall steuert die Steuerung das Schaltelement des Hochsetzstellers und regelt den neuen Betriebspunkt bzw. die neue Geschwindigkeit der Antriebseinheit ein. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass die Steuerung auch weitere Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen verarbeitet, wie z.B. die Temperatur der Antriebseinheit und/oder des Generators.The control advantageously determines the intermediate circuit voltage and the power output by the inverter as well as the speed of the drive unit continuously or in discrete time segments. At the same time, the control system accesses the knowledge databases of the drive unit or the generator. In the simplest case, the controller controls the switching element of the step-up converter and regulates the new operating point or the new speed of the drive unit. However, it is also conceivable that the controller also processes other input variables and output variables, such as e.g. the temperature of the drive unit and / or the generator.
Nachfolgend wird anhand von Figuren die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsystems näher erläutert .The mode of operation of the voltage supply system according to the invention is explained in more detail below with reference to figures.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1: einen Tiefsetzsteiler gemäß dem Stand der Technik;1: a buck converter according to the prior art;
Fig. 2: einen Hochsetzsteller gemäß dem Stand der Technik;2: a step-up converter according to the prior art;
Fig. 3: ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Spannungsversorgungssystems ; Fig. 4: ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Spannungsversorgungssystems .3 shows a block diagram of the voltage supply system according to the invention; 4: a block diagram of the voltage supply system according to the invention.
Die Fig. 3 zeigt ein mögliches Schaltbild für ein erfindungsgemäßes Spannungsversorgungssystem. Das Spannungsversorgungssystem weist eine Antriebseinheit 20 auf, welche über eine mechanische Welle 20a einen Generator 21 antreibt. Die Klemmenspannung des Generators wird über Zuführleitungen 21a einer Gleichrichterbrücke 22, bestehend aus sechs Dioden, aufgeschaltet . Der Gleichrichterbrücke 22 kann eine Spule 23 nachgeschaltet werden. Die Funktion der Spule 23 kann jedoch auch von den Ständerwicklungen des Generators 21 übernommen werden. Ein ansteuerbares Schaltelement 24 kann kurzzeitig die Ausgangsklemmen der Gleichrichterschaltung 22 kurzschließen. Bei wieder geöffnetem Schaltelement 24 fließt der Strom über die Gleichrichterdiode 25 in den Glättungskondensa- tor 26, wodurch sich eine geglättete Zwischenkreisspannung 27 einstellt, welche als Eingangsspannung des Inverters 27 dient und die höher als die Generatorausgangsspannung sein kann. Am Inverter 27 ist eine veränderliche Ausgangslast 28 angeschlossen. Eine Steuerung 29 ermittelt die Zwischenkreisspannung 27 mittels einer nicht näher dargestellten Messeinrichtung 31. Ebenso ermittelt die Steuerung 29 die vom Inverter abgegebene Ausgangsleistung mittels einer ebenfalls nicht näher dargestellten Einrichtung 32. Zusätzlich misst eine nicht näher dargestellte Einrichtung 33 die Drehzahl der Antriebseinheit 20. In Abhängigkeit des ermittelten Zustande des Systems ermittelt die Steuerung 29 den optimalen Betriebspunkt der Antriebseinheit 20 sowie des Tastverhältnisses des Schaltelements 24. Hierzu bedient es sich der Wissensdatenbanken 35, 36, welche das Verhalten der Antriebseinheit 20 sowie des Generators 21 beschreiben. Es ist selbstverständlich möglich, dass als Antriebseinheit 20 ein Verbrennungsmotor, eine Gasturbine oder z. B. ein Windgenerator verwendet werden kann. Die Wissensdatenbank 35 beinhaltet Informationen über den funktionalen Zusammenhang zwischen der an der Ausgangswelle zur Verfügung stehenden Leistung bei bestimmten Drehzahlen sowie das Beschleunigungsverhalten der Antriebseinheit sowie deren Temperaturverhalten. Die Wissensdatenbank 36 umfasst unter anderem den funktionalen Zusammenhang zwischen der Spannungsfrequenzcharakteristik und dem Ausgangsstrom des Generators innerhalb dessen Arbeitsbereich.3 shows a possible circuit diagram for a voltage supply system according to the invention. The voltage supply system has a drive unit 20 which drives a generator 21 via a mechanical shaft 20a. The terminal voltage of the generator is applied via feed lines 21a to a rectifier bridge 22 consisting of six diodes. The rectifier bridge 22 can be followed by a coil 23. However, the function of the coil 23 can also be taken over by the stator windings of the generator 21. A controllable switching element 24 can briefly short-circuit the output terminals of the rectifier circuit 22. When the switching element 24 is opened again, the current flows through the rectifier diode 25 into the smoothing capacitor 26, as a result of which a smoothed intermediate circuit voltage 27 is established, which serves as the input voltage of the inverter 27 and which can be higher than the generator output voltage. A variable output load 28 is connected to the inverter 27. A controller 29 determines the intermediate circuit voltage 27 by means of a measuring device 31, not shown in detail. The controller 29 also determines the output power output by the inverter by means of a device 32, also not shown in detail. In addition, a device 33, not shown in detail, measures the speed of the drive unit 20 of the determined state of the system, the controller 29 determines the optimal operating point of the drive unit 20 and the duty cycle of the switching element 24. For this purpose, it uses knowledge databases 35, 36, which describe the behavior of the drive unit 20 and the generator 21. It it is of course possible that an internal combustion engine, a gas turbine or z. B. a wind generator can be used. The knowledge database 35 contains information about the functional relationship between the power available at the output shaft at certain speeds and the acceleration behavior of the drive unit and its temperature behavior. The knowledge database 36 includes, among other things, the functional relationship between the voltage frequency characteristic and the output current of the generator within its working range.
Die Steuerung 29 generiert dann ein Kontrollsignal 30, mittels dem das Schaltelement 24 angesteuert wird. Zudem generiert die Steuerung ein Steuersignal 34 für die Antriebseinheit 20, mittels dem der neue Betriebspunkt der Antriebseinheit 20 vorgegeben bzw. eingeregelt wird.The controller 29 then generates a control signal 30 by means of which the switching element 24 is activated. In addition, the controller generates a control signal 34 for the drive unit 20, by means of which the new operating point of the drive unit 20 is specified or adjusted.
Fig. 4 zeigt ein mögliches Blockschaltbild der Steuerung zur Erzeugung des Kontrollsignals 30 für das Schaltelement 24 sowie des Steuersignals 34 für die Einstellung der benötigten Drehzahl der Antriebseinheit. Der Wissensdatenbank 35 werden beispielhaft die gemessenen Betriebsparameter die Temperatur θengine (20b) sowie die Drehzahl Ω (33) der Antriebseinheit übergeben, anhand derer die Wissensdatenbank 35 das momentan von der Antriebseinheit zur Verfügung stellbare Drehmoment T ermittelt. Das Produkt aus dem ermittelten Drehmoment T und der Drehzahl Ω ergibt die von der Antriebseinheit zur Verfügung stellbare Leistung Pe. Das Produkt Pe wird der Wissensdatenbank 36, welche den Generator beschreibt, übergeben, wonach dann die momentan elektrisch erzeugbare Leistung Pg mit der von der Last geforderten Leistung Pi (32) verglichen wird. Anhand der Differenz Pg - Pi ermittelt die Steue- rung mit dem Funktionsblock 29c die erforderliche bzw. benötigte Zwischenkreisspannung des Inverters. Dem Funktionsblock 29g wird die benötigte Zwischenkreisspannung übergeben, wonach dann anhand der aktuell ermittelten Ist-Zwischenkreisspannung 31 die Schaltzeiten des Schaltelements 24 bestimmt werden und das Kontrollsignal 30 zur Ansteuerung des Schaltelements 24 erzeugt wird.FIG. 4 shows a possible block diagram of the control for generating the control signal 30 for the switching element 24 and the control signal 34 for setting the required speed of the drive unit. For example, the measured operating parameters, the temperature θ eng i ne (20b) and the rotational speed Ω (33) of the drive unit are transferred to the knowledge database 35, on the basis of which the knowledge database 35 determines the torque T currently available from the drive unit. The product of the determined torque T and the speed Ω gives the power P e that can be made available by the drive unit. The product P e is transferred to the knowledge database 36, which describes the generator, after which the power P g that can currently be generated electrically is then compared with the power Pi (32) required by the load. Using the difference P g - Pi, the control tion with the function block 29c the required or required intermediate circuit voltage of the inverter. The required intermediate circuit voltage is transferred to the function block 29g, after which the switching times of the switching element 24 are then determined on the basis of the actually determined actual intermediate circuit voltage 31, and the control signal 30 for actuating the switching element 24 is generated.
Anhand der von der Last geforderten Leistung Pi wird mittels der Wissensdatenbanken 35, 36 die erforderliche Drehzahl Ωtarget der Antriebseinheit ermittelt. Diese wird mit der aktuellen Drehzahl Ω verglichen, wonach dann ein Geschwindigkeitscontroller 29d zusammen mit einem Drosselsignalgeber 29f ein Signal zur Ansteuerung des Dros- selklappenaktuators erzeugt, wonach dann die Drosselklappe 20d entsprechend der geforderten Drehzahl Ωtarget eingestellt wird.Based on the power Pi required by the load, the required speed Ω tar get of the drive unit is determined using the knowledge databases 35, 36. This is compared with the current speed Ω, after which a speed controller 29d together with a throttle signal generator 29f generates a signal for actuating the throttle valve actuator, after which the throttle valve 20d is then set in accordance with the required speed Ω ta rg et .
Es versteht sich von selbst, daß die Steuerung auch anders aufgebaut werden kann, um die gewünschten Eigenschaften zu erfüllen. So können u.a. zusätzliche funktionale Blöcke aufgenommen werden, um weitere Betriebsparameter und/oder funktionale Zusammenhänge des Systems zu berücksichtigen. It goes without saying that the control can also be constructed differently in order to fulfill the desired properties. For example, Additional functional blocks are included to take into account further operating parameters and / or functional relationships of the system.

Claims

P a t e n t a n s p rü c h eP a t e n t a n s rü c h e
1. Spannungsversorgungssystem, umfassend1. Power supply system, comprehensive
- einen von einer Antriebseinheit angetriebenen Generator,a generator driven by a drive unit,
- einen Wandler zur Gleichrichtung eines Ausgangsstroms des Generators,a converter for rectifying an output current of the generator,
- ein Schaltelement, mittels dem der Ausgang des Wandlers kurzschließbar ist,a switching element by means of which the output of the converter can be short-circuited,
da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daßsince you r g e k e n e z i ch n e t that
das Spannungsversorgungssystem eine Steuerung aufweist, die die Geschwindigkeit der Antriebseinheit sowie die Schaltzeiten des Schaltelements in Abhängigkeit der an dem Spannungsversorgungssystem angehängten Last vorgibt bzw. einregelt.the voltage supply system has a controller which specifies or regulates the speed of the drive unit and the switching times of the switching element as a function of the load attached to the voltage supply system.
2. Spannungsversorgungssystem nach Anspruch 1, d a - du r ch g ek e n n z e i ch n e t , daß die Steuerung für die momentane Ausgangslast den optimalen Betriebspunkt der Antriebseinheit eingeregelt.2. Power supply system according to claim 1, that the control regulates the optimal operating point of the drive unit for the current output load.
3. Spannungsversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, d adu r ch ge k e n n z e i ch n e t , daß die3. Power supply system according to claim 1 or 2, d adu r ch ge k e n n z e i ch n e t that the
Steuerung die Schaltzeiten des Schaltelements zusätzlich anhand der Ausgangsspannung des Spannungsversor- gungssystems sowie der Drehzahl der Generatorwelle bestimmt .Control the switching times of the switching element based on the output voltage of the voltage supply system and the speed of the generator shaft.
. Spannungsversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da du r ch ge k e n n z e i ch n e t , daß die Steuerung bei der Bestimmung der einzuregelnden Geschwindigkeit der Antriebseinheit sowie der Schaltzeiten des Schaltelements auf eine Knowledge-Base, welche das Verhalten der Antriebseinheit bei verschiedenen Betriebszuständen beschreibt, zurückgreift., Power supply system according to one of the preceding claims, since you r ch ge k e n z e i ch n e t that the controller uses a knowledge base which describes the behavior of the drive unit in various operating states when determining the speed of the drive unit to be regulated and the switching times of the switching element.
5. Spannungsversorgungssystem nach Anspruch 4, da du r c h g e k e n n z e i ch n e t , daß die Steuerung zusätzlich auf eine Knowledge-Base, welche das Verhalten des Generators bei verschiedenen Betriebszuständen beschreibt, zurückgreift.5. Power supply system according to claim 4, since you r c h g e k e n n z e i ch n e t that the controller also uses a knowledge base that describes the behavior of the generator in different operating states.
6. Spannungsversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadu r ch gek e n n z e i ch n e t , daß die Steuerung die geringstmögliche Geschwindigkeit der Antriebseinheit in Abhängigkeit der am Spannungsversorgungssystem angehängten Last bestimmt und vorgibt bzw. einregelt, und daß gleichzeitig die Schaltzeiten des Schaltelements so gewählt werden, daß sich eine stabile Ausgangsspannung am Hochsetzsteller ergibt.6. Power supply system according to one of the preceding claims, so that the controller determines and specifies or adjusts the lowest possible speed of the drive unit as a function of the load attached to the power supply system, and that at the same time the switching times of the switching element are selected in such a way that that there is a stable output voltage at the step-up converter.
7. Spannungsversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadu r ch gekenn z e i ch n e t , daß bei Überlastung der Antriebseinheit und/oder der Antriebseinheit-Generator-Einheit die Ausgangsspannung des Hochsetzstellers durch entsprechende Ansteuerung des Schaltelements soweit reduziert wird, damit die Antriebseinheit bis zur für die angehängte Last notwendigen Geschwindigkeit beschleunigen kann.7. Power supply system according to one of the preceding claims, characterized in that the overload of the drive unit and / or the drive unit-generator unit causes the output voltage of the step-up converter to be reduced by appropriate control of the switching element, so that the drive unit up to for the attached load can accelerate the necessary speed.
8. Spannungsversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadu r ch g e k e n n z e i chn e t , daß bei Überlastung der Antriebseinheit und/oder der Antriebseinheit-Generator-Einheit die Ausgangsspannung des Hochsetzstellers durch entsprechende Ansteuerung des Schaltelements soweit und/oder solange reduziert wird, bis der Generator die Antriebseinheit nicht mehr abbremst .8. Power supply system according to one of the preceding claims, dadu r ch gekennzei chn et that when the drive unit and / or the drive unit-generator unit is overloaded, the output voltage of the step-up converter is reduced as far and / or as long by appropriate control of the switching element until the generator the drive unit no longer brakes.
9. Spannungsversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da du r ch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wandler und das Schaltelement einen Hochsetzsteller bilden.9. Power supply system according to one of the preceding claims, since you r ch g e k e n n z e i c h n e t that the converter and the switching element form a step-up converter.
10. Spannungsversorgungssystem nach Anspruch 9, da du r ch ge ke nn z e i chne t , daß ein Kondensator vorhanden ist, der die Ausgangsspannung des Hochsetzstellers glättet.10. Power supply system according to claim 9, since you r ch ge ke nn z e ichne t that a capacitor is present, which smoothes the output voltage of the step-up converter.
11. Spannungsversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da du r ch g ek e n n z e i chn e t , daß die Antriebseinheit auf die Nennlast angepaßt ist.11. Power supply system according to one of the preceding claims, since you r ch g ek e n n z e i chn e t that the drive unit is adapted to the nominal load.
12. Spannungsversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da du r ch g e k e nn z e i ch n e t , daß die Antriebseinheit ein Verbrennungsmotor, Gasturbine oder ein Windgenerator ist. 12. Power supply system according to one of the preceding claims, since you r ch g e k e nn z e i ch n e t that the drive unit is an internal combustion engine, gas turbine or a wind generator.
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