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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Erzeugung elektrischen Stroms.
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Elektrischer
Strom für
Militär-
und Verkehrsflugzeuge wird in der Regel entweder von einem Wechsel-
oder Gleichstromgenerator erzeugt, der durch Regulieren der Spannung
an einem „Regelpunkt" (POR – Point
of Regulation) auf einen spezifischen Pegel gesteuert wird. Zum
Regulieren der POR-Spannung moduliert eine Generatorsteuereinheit
(GCU) eine Generatorerregungsquellenspannung so, daß ein idealer
Erregungsstrom gemäß den Last-
und Geschwindigkeitsbedingungen aufrechterhalten wird. Wenn Last
an dem Generator heraufgesetzt wird, muß die GCU einen Erregerfeldstrom
heraufsetzen, um für
einen durch die zusätzliche
Last verursachten POR-Spannungsabfall zu kompensieren. Wenn Last
am Generator abnimmt, muß die GCU
den Generatorerregerfeldstrom derart reduzieren, daß die POR-Spannung nicht zu
hoch wird. Mit anderen Worten muß die GCU Lastübergänge (z.B. hohe
Last und niedrige Last oder umgekehrt) kompensieren durch Heraufsetzen
oder Reduzieren des Erregerfeldstroms. Wenn die Lastübergangskompensation
nicht schnell erzielt wird, könnte
die POR-Spannung aus einer spezifizierten Grenze herausfallen und
dadurch eine Fehlfunktion und/oder Beschädigung am Nutzungsgerät verursachen.
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1 veranschaulicht
eine herkömmliche Generatorsteuerkonfiguration
für typische
Flugzeugwechselstromerzeugungssysteme. Wie in 1 zu sehen,
enthält
eine herkömmliche
Generatorsteuereinheit 10 die folgenden Hauptelemente:
(a) einen Feldstrommodulationsschalter 12; (b) einen Feldstrommodulationsschaltertreiber 14 und
(c) und eine Freilaufdiode 16. Die Generatorsteuereinheit 10 ist zum
Liefern eines Feldstroms If über Leitung 17 und 18 mit
einer Erregerstatorwicklung 22 eines Generators 20 verbunden.
Wie wohlbekannt ist, induziert das Fließen eines Feldstroms If durch die Erregerstatorwicklung 22 eines
Wechselstromgenerators eine Spannung in einer Erregerrotorwicklung 24 des
Generators 20, die von einem Gleichrichter 26 gleichgerichtet
wird. Die resultierende gleichgerichtete Spannung wird an eine Feldwicklung 28 angelegt,
die in einer Generatorhauptwicklung 29 eine Wechselspannung
zur Verteilung an elektrische Lasten des Flugzeugs über nicht
gezeigte Speiseleitungen induziert. Der Feldstrommodulationsschalter 12,
der entweder in der Regel ein MOSFET (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor)
oder ein IGBT (Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate) ist, ist
an Leitung 18 und zwischen die Erregerstatorwicklung 22 des
Generators 20 und Masse geschaltet. Der Feldstrommodulationsschalter 12 wird
wiederholt von dem Feldstrommodulationsschaltertreiber 14 zwischen
einem EIN-Zustand und einem AUS-Zustand geschaltet, so daß das Tastverhältnis (oder
die EIN/AUS-Impulsbreite) des Feldstrommodulationsschalters 12 den durch
die Erregerstatorwicklung 22 fließenden Feldstrom auf einem
gegebenen Pegel als Funktion der Last hält.
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Beim
normalen Betrieb sollte der Feldstrom If kontinuierlich
gehalten werden, um eine welligkeitsfreie POR-Spannung aufrechtzuerhalten
und um das Spannungsrauschen über
dem Feldstrommodulationsschalter 12 während seines Schaltens zu reduzieren.
Die Freilaufdiode 16 ist zwischen Leitungen 17 und 18 geschaltet,
wobei die Anode an Leitung 18 zwischen einem Ausgangsende
der Erregerstatorwicklung 22 und dem Feldstrommodulationsschalter 12 und
die Kathode an Leitung 17 zwischen einem Eingangsende der
Erregerstatorwicklung 22 und einer nicht gezeigten Gleichstromquelle
angeschlossen ist, und überbrückt in der
Erregerstatorwicklung 22 gespeicherte Erregungsenergie,
wenn der Feldstrommodulationsschalter 12 AUS ist. Wenn
der Feldstrommodulationsschalter 12 EIN ist, ist die Diode 16 in
Sperrichtung vorgespannt und befindet sich in einem blockierenden
Zustand.
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Deshalb
geht der Erregungsstrom auf Leitung 18 von der Erregerstatorwicklung 22 durch
den Feldstrommodulationsschalter 12 gegen Masse. Wenn sich
der Feldstrommodulationsschalter 12 in dem AUS-Zustand
befindet, wird die Diode 16 von der induzierten Spannung
der Erregerstatorwicklung 22 zum Durchschalten gezwungen,
und die Energie in der Wicklung fließt weiterhin durch die Diode 16 über die
Leitung 18, so daß der
durch die Diode 16 fließende Strom in dem Feldstrom
If enthalten ist, der dem Eingangsende der
Erregerstatorwicklung 22 über Leitung 17 zugeführt wird,
wodurch man einen glatten kontinuierlichen Feldstrom If erzielt.
Somit erzeugt die Diode 16 einen Freilaufweg für Erregungsenergie
von der Erregerstatorwicklung 22.
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Für Flugzeuge
mit traditionellen elektrischen Systemen mit fester Frequenz, die
normalerweise bei 400 Hz arbeiten, stellt die herkömmliche
Konfiguration in 1 kein ernsthaftes Leistungsproblem
dar. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben jedoch herausgefunden,
daß in
Systemen mit variabler Frequenz, die in den vergangenen Jahren mehr
Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben, Probleme entstehen können. Bei
einem typischen Flugzeug muß von
einem Generator erzeugter elektrischer Strom Stromcharakteristikenanforderungen
erfüllen,
die entweder durch die Industrie- oder Militärstandards diktiert werden.
Eine typische Anforderung ist die maximale Spannungsüberschwingungs-
und -erholungszeit während
eines Stufenlastentfernungsübergangs
an anderer Stelle in dem Nutzungssystem für elektrischen Strom. Bei einem
Generatorsteuersystem mit variabler Frequenz, bei dem die Generatordrehzahl
breit sein und zwischen 10 000 und 24 000 min-1 liegen
kann, wenn die in der Erregerwicklung gespeicherte Energie nicht
schnell genug abgeführt werden
kann, wenn der Feldstrommodulationsschalter AUS ist, übersteigt
das Spannungsüberschwingen
oftmals annehmbare Pegel, wenn die Last mit hoher Geschwindigkeit
vom Generator genommen wird, insbesondere, wenn ein großer Generator
verwendet wird. Zudem kann während
eines Generatorhochfahrens bei hohen Generatordrehzahlen die Generatorspannung
exzessiv sein, und zwar aufgrund der Unfähigkeit der Generatorsteuerschaltung,
den Erregungsstrom genau hochzufahren, weil in der Erregerstatorwicklung
gespeicherte Energie nicht schnell genug abklingt. Wenngleich zur
Lösung
dieses Problems mit existierender herkömmlicher Steuerkompensation
in standardmäßigen Generatorsteuereinheiten
nicht viel getan werden kann, kann ein Produkt nicht an einen Kunden
ausgeliefert werden, wenn es die Spannungsüberschwingungstoleranzen des
Kunden nicht erfüllt.
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Aus
US-A-5,850,138 ist
eine Steuerschaltung für
einen Stromgenerator bekannt.
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Die
Erfindung besteht dementsprechend in einer Generatorregelvorrichtung
zum Liefern eines Feldstroms an einen Stromgenerator, wobei die
Vorrichtung folgendes umfaßt:
einen
Feldstrommodulator, ausgelegt zum wiederholten Schalten zwischen
einem EIN-Zustand und einem AUS-Zustand,
um einen Fluß von
Feldstrom zu dem Stromgenerator zu regeln;
einen Freilaufweg,
ausgelegt zum Speisen von von dem Generator empfangenen Erregungsstrom
zurück
zu dem Stromgenerator als eine Feldstromkomponente, wenn sich der
Feldstrommodulator in dem AUS-Zustand befindet; und
eine Impedanzschaltung,
ausgelegt zum selektiven und vorübergehenden
Reduzieren eines Erregungsstroms in dem Freilaufweg, wenn sich der
Feldstrommodulator in dem AUS-Zustand befindet, um Spannungsüberschwingen
in dem Stromgenerator bei Eintreten eines Arbeitsübergangs
zu reduzieren,
dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzschaltung ausgelegt
ist, den Erregungsstrom in dem Freilaufweg auf der Basis eines Generatorleitungskontaktgeberbefehls
zu reduzieren.
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Mängel der
herkömmlichen
Stromgeneratorregelkonfiguration wie etwa die oben beschriebenen können durch
Verwendung einer Generatorsteuereinheit gemäß der Erfindung gelöst werden,
die eine Energieabsorbierungsschaltung selektiv und vorübergehend
in einen Erregungsstromfreilaufweg einführt, um Restenergie von einer
Generatorwicklung zu absorbieren, wodurch die Feldstromabklingrate beschleunigt
wird, um ein Spannungsüberschwingen in
dem Generator zu reduzieren.
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Die
Energieabsorbierungsschaltung kann selektiv und vorübergehend
in den Erregungsstromfreilaufweg eingeführt werden, wenn der Generator einen
Lastübergang
erfährt
(z.B. einen Übergang
von hoher Last zu niedriger Last) und/oder während eines Hochfahrstadiums,
um Spannungsüberschwingen
zu reduzieren.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
eine Stromgeneratorsteuereinheit einen Feldstrommodulator, der wiederholt zwischen
einem EIN-Zustand
und einem AUS-Zustand geschaltet wird, um den Fluß von Feldstrom
zu einer Erregerwicklung des Stromgenerators zu steuern, und Erregungsstrom
von der Erregerwicklung wird über
eine Freilaufdiode an den Generator zurückgeführt, wenn der Feldstrommodulator
AUS ist. Eine Energieabsorbierungsschaltung wird selektiv zu dem
Freilaufweg hinzugefügt.
Ein Bypassschalter wird an der Energieabsorbierungsschaltung vorgesehen,
die eine RC-Schaltung sein kann, um in einem EIN-Zustand einen niederohmigen
Weg bereitzustellen, damit der Erregungsstrom in dem Freilaufweg fließen kann.
Bei dieser Implementierung enthält
die Generatorsteuereinheit einen Impedanzbypasstreiber, der den
Bypassschalter von einem EIN-Zustand zu einem AUS-Zustand als Funktion
von einem oder mehreren Detektionssignalen ändert, die z.B. einen Lastübergangs-
oder einen Hochfahrzustand anzeigen, um die Energieabsorbierungsschaltung
selektiv und vorübergehend
in den Freilaufweg einzuführen, um
das Abklingen des Erregungsstroms von einer Erregerwicklung des
Generators zu beschleunigen.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich bei
der Lektüre
der folgenden ausführlichen
Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
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1 ein
Schaltungsdiagramm, das eine herkömmliche Konfiguration zum Steuern
eines einem Stromgenerator gelieferten Feldstroms darstellt;
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2 ein
Schaltungsdiagramm, das eine Konfiguration zum Steuern eines einem
Stromgenerator gelieferten Feldstroms gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 ein
Diagramm, das eine beispielhafte Konfiguration eines Bypasstreibers
darstellt, der sich zur Verwendung in der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung eignet, die in 2 dargestellt ist;
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4A eine
Reihe von Wellenformen, die einen typischen Spannungsüberschwingzustand
demonstrieren, der während
des Entfernens von Last eintritt, wenn Prinzipien der vorliegenden
Erfindung nicht auf die Stromerzeugungssteuerung angewendet werden;
und
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4B eine
Reihe von Wellenformen, die die Effekte einer beispielhaften Implementierung
der vorliegenden Erfindung beim Reduzieren des Spannungsüberschwingens
während
des Entfernens einer Last demonstrieren.
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2 veranschaulicht
eine Konfiguration einer Generatorsteuereinheit 200 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die ein Spannungsüberschwingen in einem Generator 20 während Arbeitsübergängen reduziert,
z.B. während
des Entfernens einer Last. Wie in 2 zu sehen,
enthält die
Generatorsteuereinheit 200: (a) einen Feldstrommodulationsschalter 212;
(b) einen Feldstrommodulationstreiber 214; (c) eine Freilaufdiode 216;
(d) eine Impedanzschaltung 220; (e) einen Impedanzschaltungsbypassschalter 222 und
(e) einen Impedanzbypasstreiber 230. Wie die oben unter
Bezugnahme auf 1 erörterte herkömmliche Konfiguration ist die Generatorsteuereinheit 200 zur
Bereitstellung eines Feldstroms If über Leitungen 217 und 218 an
eine Erregerstatorwicklung 22 eines Generators 20 angeschlossen.
Bei der in 2 dargestellten beispielhaften
Implementierung enthält
der Generator 20 auch eine Erregerrotorwicklung 24,
einen Gleichrichter 26, eine Feldwicklung 28 und
eine Generatorhauptwicklung 29. Der Fluß von Feldstrom If durch
die Erregerstatorwicklung 22 induziert in einer Erregerrotorwicklung 24 des
Generators 20 eine Spannung, die von dem Gleichrichter 26 gleichgerichtet
wird. Die resultierende gleichgerichtete Spannung wird an die Feldwicklung 28 angelegt,
die in der Generatorhauptwicklung 29 eine Wechselspannung
zur Verteilung an elektrische Lasten des Flugzeugs über nicht
gezeigte Speiseleitungen induziert. Wenngleich eine bestimmte Wechselstromgeneratorkonfiguration
in 2 dargestellt ist, sollte dem Fachmann klar sein,
daß Generatorsteuerprinzipien
der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Generatorkonfigurationen
angewendet werden können.
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Der
Feldstrommodulationsschalter 212 kann ein MOSFET, ein IGBT
oder eine andere geeignete Schalteinrichtung sein. Wie in 2 zu
sehen, ist der Feldstrommodulationsschalter 212 zwischen
Masse und Leitung 218 geschaltet. Der Feldstrommodulationstreiber 214 ist
an die Gateelektrode des Feldstrommodulationsschalters 212 angeschlossen,
um den Feldstrommodulationsschalter 212 wiederholt zwischen
einem EIN-Zustand und einem AUS-Zustand
zu schalten. Das Tastverhältnis
(EIN/AUS-Impulsbreite)
des Strommodulationsschalters 212 ist eine Funktion der
Last am Generator 20, so daß der Feldstrommodulationstreiber 214 bei
höheren
Lasten ein höheres
Tastverhältnis
für den
Feldstrommodulationsschalter 212 bewirkt, um die POR-Spannung
auf einem gegebenen Pegel als Funktion der Last zu halten.
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Die
Freilaufdiode 216 ist zwischen Leitung 217 und
einem ersten Ende der Impedanzschaltung 220 geschaltet,
das zweite Ende der Impedanzschaltung 220 ist an Leitung 218 zwischen
dem Feldstrommodulationsschalter 212 und der Erregerstatorwicklung 22 des
Generators 20 geschaltet. Der Impedanzschaltungsbypassschalter 222 ist
an der Impedanzschaltung 220 vorgesehen. Wie der Feldstrommodulationsschalter 212 kann
der Impedanzbypassschalter 222 ein MOSFET, ein IGBT oder
eine andere geeignete Schalteinrichtung sein. Beispielsweise kann
der Impedanzbypasschalter 222 als ein mechanisches Relais
implementiert sein. Der Impedanzschaltungsbypasstreiber 230 ist
an die Gateelektrode des Impedanzbypassschalters 222 angeschlossen, um
den Schalter 222 selektiv auf EIN und AUS zu steuern. Bei
der in 2 dargestellten Ausführungsform enthält die Impedanzschaltung 220 einen
Widerstand Rd und einen Kondensator Cd, in Reihe geschaltet, deren Werte von spezifischen
Charakteristiken des Generatordesigns abhängen werden. Es sollte bemerkt
werden, daß alternative
Konfigurationen für
die Impedanzschaltung 220 verwendet werden können. Beispielsweise
kann ein Widerstand Rd alleine anstatt einer
RC-Schaltung verwendet werden, um ein einfacheres Design zu liefern,
oder eine komplexere Impedanzschaltung kann verwendet werden. Noch
weiter kann die RC-Schaltung durch eine Spannungsquelle ersetzt
werden, die den Fluß von Feldstrom
effektiv stoppt.
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Der
Betrieb der in 2 dargestellten Generatorsteuereinheit 200 wird
als nächstes
beschrieben. Wenn der Feldstrommodulationsschalter 212 von
dem Feldstrommodulationstreiber 214 auf EIN gesteuert wird,
geht Erregungsstrom auf Leitung 218 von der Erregerstatorwicklung 22 durch
den Feldstrommodulationsschalter 212 gegen Masse. Wenn der
Feldstrommodulationsschalter 212 von dem Feldstrommodulationstreiber 214 auf
AUS gesteuert wird und der Impedanzschaltungsbypassschalter 230 von
dem Impedanzbypasstreiber 230 auf EIN gesteuert wird, fließt Erregungsstrom
auf Leitung 218 von der Erregerstatorwicklung 22 durch
den Impedanzschaltungsbypassschalter 222 (unter Umgehung
der Impedanzschaltung 220) und die Diode 216 zur
Leitung 217, wodurch er als eine Komponente des Feldstroms
If an die Erregerstatorwicklung 22 des
Generators 20 zurückgekoppelt
wird, wodurch man einen glatten kontinuierlichen Feldstrom If erzielt.
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Während bestimmter
Arbeitsübergänge wie etwa
dem Entfernen von Last oder Hochfahren hält der Feldstrommodulationstreiber 214 den
Feldstrommodulationsschalter 212 in dem AUS-Zustand, und der
Impedanzbypasstreiber 230 hält den Impedanzschaltungsbypassschalter
in dem AUS-Zustand, so daß die
Impedanzschaltung 220 vorübergehend in den Erregungsstromfreilaufweg
zwischen Leitungen 218 und 217 eingeführt wird,
wodurch der größte Teil der
Restenergie von der Erregerstatorwicklung 22 des Generators 20 absorbiert
wird. Infolgedessen nimmt die POR-Spannung im Generator 20,
die in direkter Beziehung zum Feldstrom If steht,
schnell ab und bleibt innerhalb annehmbarer Grenzen.
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Die 4A-4B enthalten
Wellenformen (a)-(f), um die Effektivität der vorliegenden Erfindung beim
Senken des Feldstroms If nach dem Entfernen einer
Last und Reduzieren des POR-Spannungsüberschwingens zu veranschaulichen. 4A veranschaulicht
einen Spannungsüberschwingzustand, der
eintreten kann, wenn Last von dem Generator 20 entfernt
wird und die Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht angewendet
werden. Wenn die Last keinen Strom mehr zieht (Entfernen der Last),
wie in Wellenform (b) gezeigt, schwingt die Spannung am POR erheblich über, wie
in Wellenform (a) zu sehen, bis der in Wellenform (c) gezeigte Feldstrom
If mit der Zeit abklingt. Wie in Wellenform
(c) zu sehen, klingt der Feldstrom If allmählich ab,
wenn die Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht angewendet
werden, wodurch der in Wellenform (a) zu sehende Spannungsüberschwingzustand
verlängert
wird. 4B veranschaulicht die Effekte
der vorliegenden Erfindung auf das Reduzieren eines Spannungsüberschwingens.
Im Gegensatz zu der in 4A gezeigten Wellenform (c)
ist aus Wellenform (f) zu erkennen, daß das Einführen der Impedanzschaltung 220 in
den Freilaufweg durch Drehen des Impedanzschaltungsbypassschalters 222 in
den AUS-Zustand das Abklingen des Feldstroms If signifikant
beschleunigt, wodurch das Spannungsüberschwingen (wie in Wellenformen
(d) von 4B zu sehen) reduziert wird.
Wie in Wellenform (f) von 4B zu
sehen, wird die Impedanzschaltung 220 nur vorübergehend in
den Rückkopplungsweg
eingeführt,
ansonsten wird die Felderregungsenergie immer dann absorbiert, wenn
der Feldstrommodulationsschalter 212 AUS ist, wodurch ein
diskontinuierlicher Feldstrom If und eine
Wärmeableitung
verursacht werden. Für
die meisten Generatoren wird ein AUS-Zustand von 100 Millisekunden
für den
Impedanzschaltungsbypassschalter 222 ausreichend sein.
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Es
versteht sich, daß die
Wellenformen der 4A und 4B lediglich
angeführt
werden, um Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen,
und nicht als den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung beschränkend angesehen
werden sollten. Die Wellenformen der 4B basieren auf
einem bürstenlosen
150-KVA- Synchrongenerator bei
23 100 min-1, Rd =
12 Ohm und Cd = 0,47 μF.
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Der
Impedanzbypasstreiber 230 kann auf vielerlei Weise konfiguriert
werden, um den Impedanzschaltungsbypassschalter 222 so
zu steuern, daß die
Impedanzschaltung 220 mit einer angemessenen Zeitsteuerung
in den Freilaufweg eingeführt wird
(z.B. beim Entfernen einer Last oder beim Hochfahren). 3 zeigt
eine beispielhafte Konfiguration des Impedanzschaltungsbypasstreibers 230.
Wie in 3 zu sehen, enthält der Impedanzschaltungsbypasstreiber 230 eine
GLC-(Generator Line Contactor – Generatorleitungskontaktgeber)-Befehlsdetektionseinheit 232 und
kann auch eine Stromdetektionseinheit 234 und eine zusätzliche
Zeitsteuerungsdetektionseinheit 236 enthalten, wobei die
Einheiten 232, 234, 236 jeweils ein GLC-Befehlssignal,
ein Stromerfassungssignal und ein zusätzliches Zeitsteuerungserfassungssignal
empfangen und jeweils ein Detektionssignal an ein OR-Gatter 238 abgeben. Der
Ausgang des OR-Gatters 238 ist an einen Gattertreiber 239 angeschlossen,
der ein Taktsteuersignal für
den Impedanzschaltungsbypassschalter 222 erzeugt. Wie wohlbekannt
ist, ist der GLC-Befehl ein von der Generatorsteuereinheit 200 erzeugter
Befehl zum Schließen
und Freigeben des GLC. Wenn der GLC freigegeben wird, wird die Last
von dem Generator 20 entfernt, oder der Generator befindet
sich in einem Hochfahrstadium. Deshalb wird das GLC-Befehlssignal
als ein Steuersignal von dem Impedanzschaltungsbypasstreiber 230 verwendet,
um bei Auftreten des GLC-Befehls den Impedanzschaltungsbypassschalter 222 in
den AUS-Zustand
zu steuern. Der Impedanzbypasstreiber 230 kann auch ein
Stromerfassungssignal nach Detektion durch die Stromdetektionseinheit 234 als
ein Steuersignal verwenden. Beispielsweise kann ein großer Abfall
des vom Generator abgezogenen Stroms einen Lastentfernungszustand
anzeigen, und kein Strom von dem Generator 20 kann einen
Hochfahrzustand anzeigen, während
dessen die Impedanzschaltung 220 in den Freilaufweg der
Generatorsteuereinheit 200 eingeführt werden soll. Zusätzliche
Zeitsteuersignale nach Detektion durch die zusätzliche Zeitsteuerdetektionseinheit 236 können als
Steuersignale von dem Impedanzbypasstreiber 230 verwendet
werden.
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Wenngleich
die Erfindung zur Verwendung mit einem Wechselstrom-Synchrongenerator
beschrieben worden ist, kann sie auch auf einen Gleichstromgenerator
angewendet werden.