DE2839712A1

DE2839712A1 - Schaltung fuer einen buerstenlosen gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2839712A1
Application number: DE19782839712
Authority: DE
Inventors: Nygaard Nils Hanson
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1978-09-13
Filing date: 1978-09-13
Publication date: 1980-03-20
Also published as: DK377979A; IT7968805A0; GB2031669B; ES484120A1; FR2436522B1; AT370571B; AU5075179A; SE7907569L; NL7906770A; BR7905794A; DE2839712B2; FR2436522A1; GB2031669A; JPS5541194A; DD146227A5; DE2839712C3; US4270076A; BE878781A; AU526776B2; ATA562579A

Description

DR.-ING. ULRICH KNOBLAUCH Patentanwalt β frankfurt/main ι, den 12. Sept. 1978 KUHHORNSHOFWEG 10 Κ/θ POSTSCHECK-KONTO FRANKFURT/M. 3425-605 ' DRESDNER BANK. FRANKFURT/M. 2300308 TELEFON: 561078

TELEGRAMM: KNOPAT TELEX: 411877 KNOPA D

DA 498

DANFOSS A/S, Nordborg (Dänemark)

Schaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit Permanentmagnet-Rotor und mindestens einem Polpaar, das mit zwei Wicklungen versehen ist, die über einen gemeinsamen Mittelanschluß mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle und über je ein Halbleiter-Schaltelement und eine gemeinsame Reihenschaltung einer Glättungsdrossel und eines elektronischen Zerhacker-Schalters mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden sind, wobei eine Rücklaufdiode zwischen die Verbindungsstelle von Glättungsdrossel und Zerhacker-Schalter und den Mittelanschluß geschaltet ist und wobei eine die Drehwinkellage des Rotors feststellende Detektorvorrichtung mittels einer Steuerschaltung die Halbleiter-Schaltelemente im Gegentakt ein- und ausschaltet.

Bei einer bekannten Schaltung dieser Art ist ein Gleichstrommotor mit zwei Polpaaren und dementsprechend vier Wicklungen vorgesehen, die alle mit dem Hittelanschluß verbunden sind. Die Halbleiter-Schaltelemente sind vom Steuergerät in Abhängigkeit von der Drehwinkellage des Rotors angesteuerte Transistoren; die Leistung des Motors 1st durch die Schaltleistung der Transistoren beschränkt, vor allem weil diese beim Abschalten der Wicklungen durch die hohen, transformatorisch erzeugten Spannungen belastet sind. Auch bei der !^magnetisierung des Magnetkreises treten leistungsvemindernde Verluste auf. Zur Drehzahlregelung ist die an den Motorwicklungen anliegende Spannung regelbar. Dies geschieht mit Hilfe des Zerhacker-Schalters, der ebenfalls als Transistor

ausgebildet ist. Er wird von einem Drehzahlregler mit Steuerimpulsen versorgt, die eine höhere Frequenz haben als die Umschal tfrequenz der erstgenannten Transistoren. Aus den vom Zerhacker-Schalter hindurchgelassenen Stromimpulsen bildet die Glättungsdrossel in Verbindung mit der Rücklaufdiode einen Strommittelwert.

Ferner ist ein dreiphasiger Wechselrichter bekannt, der von. einer Gleiphspannungsquelle gespeist wird, welche eine konstante Spannung abgibt und einen mit Wechselspannung versorgten Brückengleichrichter mit nachgeschaltetem Glättungskondensator aufweist. In jeder Phase ist die Last über einen Transformator angeschlossen, dessen Primärwicklung zwei Teile aufweist, deren Mittelanschluß mit einem Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Die anderen Enden der Wicklungsteile sind je über die Reihenschaltung einer Sperrdiode und eines gesteuerten Gleichrichters mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Eine Freilaufdiode überbrückt jeweils diese Reihenschaltung. Zwischen die Verbindungsstellen von Sperrdiode und gesteuertem Gleichrichter beider Reihenschaltungen ist eine Lösch-Reihenschaltung, bestehend aus Löschkondensator und Umschwingdrossel, geschaltet. Dieser Löschgleichrichter erhält unter dem Einfluß der konstanten Gleichspannung und der in dem jeweils abgeschalteten Wicklungsteil erzeugten Gegen-EMK mit abwechselnder Polarität eine konstante Ladung, die zum Löschen des jeweils gezündeten gesteuerten Gleichrichters ausreicht. Die Freilaufdioden erlauben es, die im Magnetkreis gespeicherte Energie bei jedem Ummagnetisierungsvorgang in ' elektrische Leistung umzusetzen und in die Gleichspannungsquelle zurückzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die es erlaubt, einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit höherer Leistung zu betreiben^

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Halbleiter-Schaltelemente gesteuerte Gleichrichter sind, daß eine

030012/041?

Löschschaltung vorgesehen 1st, die eine die der Glättungsdrossel abgewandten Seiten der gesteuerten Gleichrichter verbindende Lösch-Reihenschaltung aus Löschkondensator und Umschwingdrossel sowie je eine antiparallel zu jedem gesteuerten Gleichrichter geschaltete Löschdiode aufweist, und daß mindestens eine Freilaufdiode vorgesehen ist, die wenigstens die Glättungsdrossel und den Zerhacker-Schalter überbrückt.

Bei dieser Schaltung kann der Motor mit höherer Leistung betrieben werden, weil die gesteuerten Gleichrichter eine höhere Schaltleistung als Transistoren haben und insbesondere durch höhere Spannungen belastbar sind. Dies erfordert allerdings eine Löschschaltung, die immer eine ausreichende Kommutierungsenergie zur Verfügung stellt, also auch dann, wenn bei geringer Drehzahl die die Motorwicklungen speisende Spannung niedrig ist. Im vorliegenden Fall kommt man ohne Vergrößerung des Löschkondensators und daher mit einer vergleichsweise kurzen Ladezeit aus, da trotz des variablen Mittelwerts der Motorspannung wegen der Funktion des Zerhacker-Schalters in kurzen Zeitabständen jeweils die volle Gleichspannung an den Motorwicklungen anliegt, so daß sich der Löschkondensator in Verbindung mit der Gegen-EMK der jeweils abgeschalteten Motorwicklung rasch bis annähernd auf die doppelte Spannung der Gleichspannungsquelle aufladen kann. Eine weitere Leistungseinsparung ergibt sich durch die Verwendung der Freilaufdiode, die wegen ihrer speziellen Lage trotz des Vorhandenseins des Zerhacker-Schalters und der Glättungsdrossel beim Ummagnetisierungsvorgang eine Energierückgewinnung durch Übertragung in die jeweils andere Motorwicklung erlaubt.

In manchen Fällen genügt es, wenn lediglich eine Freilaufdiode vorhanden ist, welche Glättungsdrossel und Zerhacker-Schalter überbrückt, weil sich der Freilaufkreis über die Löschdioden schließen kann. Günstiger ist es jedoch, wenn je eine Freilaufdiode zwischen die dem Mittelanschluß abgewandte Seite jeder Wicklung und den anderen Pol der Gleichspannungsquelle geschaltet ist. In diesem Fall können verhältnismäßig kleine Löschdioden und Freilauf dioden verwendet werden, weil jede dieser Dioden lediglich den ihr zugeordneten Strom zu führen braucht.

030012/-0487

Des weiteren kann zwischen jede Wicklung und die Lösch-Reihenschaltung eine gleichsinnig mit dem gesteuerten Gleichrichter gepolte Sperrdiode geschaltet sein. Mit Hilfe dieser Sperrdioden wird eine teilweise Entladung des Löschkondensators über die Wicklungen verhindert. Die Sperrdioden erlauben es auch, eine Gleichspannungsquelle zu verwenden, die eine nur wenig geglättete Wechselspannung abgibt.

Die Löschdioden können jeweils die Reihenschaltung von Sperrdiode und gesteuertem Gleichrichter überbrücken, insbesondere wenn nur eine Freilaufdiode vorhanden ist, welche den Zerhacker-Schalter und die Glättungsdrossel überbrückt. Bei Verwendung zweier Freilaufdioden ist es aber günstiger, daß die Löschdioden jeweils nur den gesteuerten Gleichrichter überbrücken. Hierdurch wird die Löschleistung geringer, weil im Löschkreis nur der Spannungsabfall einer Diode zu berücksichtigen ist.

Darüber hinaus können gesteuerter Gleichrichter und Löschdiode eine integrierte Baueinheit bilden. Derartige Komponenten sind handelsüblich. Sie haben den Vorteil, daß von vornherein der gesteuerte Gleichrichter in Sperrichtung nur durch den Spannungsabfall der Löschdiode belastet werden kann und daher die entsprechende Spannungsfestigkeit sehr gering sein kann (asymmetrischer Thyristor).

Mit Vorteil sind Mittel vorgesehen, die den Stillstand des Rotors in einem Punkt außerhalb derjenigen Stellung bewirkt, in der das Steuergerät die Umschaltung der gesteuerten Gleichrichter vornimmt. Derartige Mittel können beispielsweise aus einem Permanentmagneten bestehen. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß bis zur ersten Umschaltung eine gewisse Zeit vergeht, die ausreicht, um den Löschkondensator für den ersten Löschvorgang aufzuladen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung veranschaulichter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

030012/04^7

- 7 Pig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 2 das Schaltbild einer ersten Ausführungsfora, Fig. 3 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 4 einige Strom- und Spannungsverläufe über der Zeit während des Betriebes und

Fig. 5 einige Strom- und Spannungsverläufe über der Zeit während des Starts.

In Fig. 1 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor 1 veranschaulicht, der einen zweipoligen Stator 2 hat mit einem Hagnetkreis 3 mit zwei Polen 4 und 5. Der Rotor 6 weist einen Permanentmagneten auf. Jedem Pol 4 und 5 ist eine Wicklung N1 bzw. N2 zugeordnet. Die Wicklungen haben einen gemeinsamen Hittelanschluß 7 und, räumlich gesehen, den gleichen Wickelsinn. Sie werden über eine Schaltvorrichtung 8 abwechselnd mit Strom versorgt. Diese Schaltvorrichtung ist an eine Gleichspannungsquelle 9 mit konstanter Gleichspannung angeschlossen. Diese kann beispielsweise durch eine Batterie oder durch eine mit Wechselspannung gespeiste und gegebenenfalls mit einem Glättungeglied versehene Gleichrichterschaltung gebildet sein. Eine Detektorvorrichtung 10, beispielsweise ein Hall-Generator, gibt ein von der Drehwinkellage des Rotors 6 abhängiges Signal an ein Steuergerät 11, das entsprechende Umschaltsignale si, s2 an die Schaltvorrichtung 8 abgibt. Ein Drehzahlregler 12 empfängt über das Steuergerät 11 ein dem Istwert der Drehzahl entsprechendes Signal und über einen Eingang 13 einen dem Sollwert der Drehzahl entsprechendes Signal. Dieser Drehzahlregler gibt ein Steuersignal s3 an die Schaltvorrichtung 8 ab. Ferner sind Mittel 14, hier ein Permanentmagnet, vorgesehen, die den Stillstand des Rotors in einem Punkt außerhalb derjenigen Stellung bewirken, in der das Steuergerät 11 die Umschaltung vornimmt.

030012/0487

Die Fig. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele der Schaltvorrichtung 8 in Verbindung mit den Wicklungen N1 und N2.

In Fig. 2 liegt die Wicklung N1 in Reihe mit einer Sperrdiode D1 und einem gesteuerten Gleichrichter E1. Die Wicklung N2 liegt in Reihe mit einer Sperrdiode D2 und einem gesteuerten Gleichrichter E2. Beide Reihenschaltungen sind ihrerseits gemeinsam in Reihe geschaltet mit einer Glättungsdrossel L1 und einem elektronischen Zerhacker-Schalter Z, der in üblicher Weise beispielsweise mit Hilfe eines weiteren gesteuerten Gleichrichters aufgebaut ist, aber auch durch einen Transistor o. dgl. gebildet sein kann. Die gesteuerten Gleichrichter E1 und E2 werden durch die Steuersignale si und s2 des Steuergeräts 11, der Zerhacker-Schalter Z durch das Steuersignal s3 des Drehzahlreglers 12 versorgt. Die Reihenschaltung der Sperrdiode D1 und des gesteuerten Gleichrichters E1 ist durch eine antiparallel geschaltete Löschdiode D3 überbrückt, die Reihenschaltung der Sperrdiode D2 und des gesteuerten Gleichrichters E2 ist durch eine antiparallel geschaltete Löschdiode D4 überbrückt. Der Löschkreis umfaßt ferner eine Reihenschaltung eines Löschkondensators C und einer Umschwingdrossel L2. Diese Reihenschaltung liegt zwischen dem Verbindungspunkt 15.von Sperrdiode D1 und gesteuertem Gleichrichter E1 und dem Verbindungspunkt 16 von Sperrdiode D2 und gesteuertem Gleichrichter E2. Außerdem gibt es eine Freilaufdiode D5, die die Glättungsdrossel L1 und den Zerhacker-Schalter Z überbrückt. Eine Rücklaufdiode D6 verbindet den Mittelanschluß 7 mit dem Verbindungspunkt 17 zwischen Glättungsdrossel L1. und Zerhacker-Schalter Z.

Die Funktion dieser Schaltung wird nachstehend unter Hinweis auf die in Fig. 4 dargestellten Strom- und Spannungsverläufe näher erläutert. Mit Hilfe der Steuersignale si und s2 werden die gesteuerten Gleichrichter E1 und E2 abwechselnd in den leitenden Zustand gesteuert. Mit Hilfe des Steuersignals s3 wird der Zerhacker-Schalter Z fortwährend ein- und ausgeschaltet. Die Schaltfrequenz ist wesentlich höher, in der Regel

030012/0467

um den Faktor 10 und mehr, als die Umschaltfrequenz der gesteuerten Gleichrichter. Trotz dieser Zerhacker-Funktion fließt in den Motorwicklungen während der Einschaltperiode ein kontinuierlicher Strom, weil die Glättungsdrossel L1 während der Sperrzeiten des Zerhacker-Schalters Z einen Rücklaufstrom durch die Rücklaufdiode D6 erzwingt. Durch Änderung der Impulsbreite des Steuersignals s3 und/oder durch Änderung seiner Frequenz kann das Ein-Aus-Zeitverhältnis des Zerhackers Z geändert werden. Dies hat zur Folge, daß die an den Motorwicklungen N1 und N2 anliegende Spannung geregelt wird, was wiederum eine Änderung des Motorstromes und damit der Drehzahl zur Folge hat.

Da zur Erzielung einer höheren Motorleistung gesteuerte Gleichrichter als Halbleiter-Schaltelemente verwendet werden, benötigt man, im Gegensatz zu Transistoren, eine Löschschaltung. Diese weist eine Lösch-Reihenschaltung, bestehend aus dem Löschkondensator C und der Umschwingdrossel L2 zwischen den Verbindungspunkten 15 und 16 sowie die beiden Löschdioden D3 und D4 auf. Es sei angenommen, daß der gesteuerte Gleichrichter E1 gezündet ist und der Löschkondensator C so aufgeladen ist, daß er auf der rechten Platte positives Potential hat. Wird nun der gesteuerte Gleichrichter E2 gezündet, fließt ein Löschstrom über diesen gesteuerten Gleichrichter E2, den

und
gesteuerten Gleichrichter El/ die Umschwingdrossel L2 zurück zum Löschkondensator C. Dieser Strom hebt den Strom im gesteuerten Gleichrichter E1 auf, so daß dieser sperrt. Der dann noch,fließende Strom wird über die Löschdiode D3, die Sperrdiode D1 und die Umschwingdrossel L2 zur entgegengesetzten Aufladung des Löschkondensators C benutzt. Anschließend lädt sich der Löschkondensator C weiter bis annähernd auf den doppelten Wert der Gleichspannung auf, weil nach dem Löschen des gesteuerten Gleichrichters E1 eine Ummagnetisierung im Magnetkreis 3 stattfindet, bei der in der Wicklung N1 eine Spannung erzeugt wird, die sich der Spannung der Gleichspannungsquelle 9 überlagert. Diese hohe Spannung ist immer dann wirksam, wenn der Zerhacker-

030012/0487

Schalter Z sich im leitenden Zustand befindet. Das bedeutet, daß der Löschkondensator C die fehlende Ladungsmenge schubweise, nämlich im Takt des Einschaltens des Zerhacker-Schalters Z, zugeführt erhält. Diese Art der Aufladung ist unabhängig von der mit Hilfe des Drehzahlreglers 12 eingestellten Motorspannung. Wird nunmehr der gesteuerte Gleichrichter E1 gezündet, entlädt sich der Löschkondensator C in entgegengesetzter Richtung, wodurch der gesteuerte Gleichrichter E2 gelöscht wird. Die Löschkondensatorspannung U_c hat daher die in Fig. 4 veranschaulichte Form.

Beim Löschen des gesteuerten Gleichrichters E1 wird der Strom in der Wicklung N1 schlagartig unterbrochen, wenn man von den Stromimpulsen zur Nachladung des Löschkondensators C absieht. Hierdurch wird transformatorisch in der Wicklung N2 ein negativer Strom erzwungen, der, da der Stromkreis über die Freilaufdiode D5 und die Löschdiode D4 geschlossen ist, in/Gleichspannungsquelle 9 zurückfließt. Dieser Strom ist mit einem magnetischen Fluß verknüpft, der demjenigen gleichgerichtet ist, der von dem positiven Strom in der Wicklung N1 erzeugt war. Dieser negative Strom durch die Wicklung N2 läßt sich arbeitsleistend nutzen, wenn die elektrische Umschaltung zeitlich vor dem Augenblick erfolgt, in dem die magnetische Achse des Rotors die magnetische Neutralebene des Stators durchsetzt. Anschließend ergibt sich ein anwachsender positiver Strom durch die Wicklung N2, bis der gesteuerte Gleichrichter E2 gelöscht wird. Nunmehr wird in der Wicklung N1 ein negativer Strom erzwungen. Der Verlauf der beiden Wicklungsströme I„* und I_N2 is* *** Fig. 4 veranschaulicht.

Da die Stillstandsmittel 14 den Rotor 6 in einem Punkt außerhalb derjenigen Stellung zum Stillstand kommen lassen, in der die Umschaltung vorgenommen wird, vergeht eine gewisse Zeit bis zur ersten Umschaltung. Während dieser Zeit wird der Löschkondensator C stufenweise, nämlich immer dann, wenn der Zerhacker-Schalter Z leitend ist und ein Strom I₂ durch ihn fließt, auf die volle Kondensatorspannung aufgeladen.

030012/0437

Bei der AusfUhrungsform nach Fig. 3 sind zwei Löschdioden D7 und D8 vorgesehen, die Jeweils nur den gesteuerten Gleichrichter E1 bzw. E2 überbrücken. Dies hat den Vorteil, daß sich im Löschkreis nach dem Löschen des gesteuerten Gleichrichters lediglich eine Diode befindet. Entsprechend klein ist der Spannungsabfall und entsprechend gering die von der Umschwingdrossel L2 bewirkte Aufladung des Löschkondensators C, so daß die Nachladung entsprechend gering ist. Außerdem sind die Paare E1 - D7 und E2 - DS jeweils in einem integrierten Bauteil untergebracht, so daß man asymmetrische Thyristoren verwenden kann, die in Sperrichtung lediglich eine geringe Sperrspannung benötigen.

Des weiteren sind statt der einen Freilauf diode D5 zwei Freilaufdioden D9 und D10 vorgesehen, die jeweils die dem Hittelanschluß 7 abgewandte Seite einer Wicklung N1 bzw. N2 mit dem dem Zerhacker-Schalter Z zugewandten Pol der Gleichspannungsquelle 9 verbinden. Während die Löschdioden D7 und D8 nur den Löschstrom führen müssen, brauchen die Freilaufdioden D9 und D10 nur den Freilaufstrom zu führen. Die Dioden können daher verhältnismäßig schwach ausgebildet werden.

In beiden Ausführungsbeispielen können auch die Sperrdioden D1 und D2 entfallen, wenn es in Kauf genommen werden kann, daß der Löschkondensator C sich über die beiden Wicklungen immer wieder teilweise entlädt.

030012/0487

Claims

Patentansprüche

1./Schaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit Permanentmagnet-Rotor und mindestens einem Polpaar, das mit zwei Wicklungen versehen ist, die über einen gemeinsamen Mittelanschluß mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle und über je ein Halbleiter-Schaltelement und eine gemeinsame Reihenschaltung einer Glättungsdrossel und eines elektronischen Zerhacker-Schalters mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden sind, wobei eine Rücklaufdiode zwischen die Verbindungsstelle von Glättungsdrossel und Zerhacker-Schalter und den Hittelanschluß geschaltet ist und wobei eine die Drehwinkellage des Rotors feststellende Detektorvorrichtung mittels einer Steuerschaltung die Halbleiter-Schaltelemente im Gegentakt ein- und ausschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Schaltelemente gesteuerte Gleichrichter (E1, B2) sind, daß eine Löschschaltung vorgesehen ist, die eine die der Glättungsdrossel (L1) abgewandten Seiten der gesteuerten Gleichrichter verbindende Lösch-Reihenschaltung aus Löschkondensator (C) und Umschwingdrossel (L2) sowie je eine antiparallel zu jedem gesteuerten Gleichrichter geschaltete Löschdiode (D3, D4; D7, D8) aufweist, und daß mindestens eine Freilauf diode (Df?; D9, D10) vorgesehen ist, die wenigstens die Glättungsdrοssel und den Zerhacker-Schalter (Z) überbrückt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Freilaufdiode (D9, D10) zwischen die dem Hittelanschluß (7) abgewandte Seite jeder Wicklung (N1, N2) und den anderen Pol der Gleichspannungsquelle (9) geschaltet ist.

030012/.04β7

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jede Wicklung (N1, N2) und die Lösch-Reihenschaltung (C, L2) eine gleichsinnig mit dem gesteuerten Gleichrichter gepolte Sperrdiode (D1, D2) geschaltet ist.

4. Schaltung nach Anspruch 2 und 3$ dadurch gekennzeichnet, daß die Löschdioden (D7, D8) jeweils nur den gesteuerten Gleichrichter (E1, E2) überbrücken.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß gesteuerter Gleichrichter (E1, E2) und Löschdiode (D7, D8) eine integrierte Baueinheit bilden.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (14) vorgesehen sind, die den Stillstand des Rotors %*ή~ in einem Punkt außerhalb derjenigen / Stellung bewirkt, in der das Steuergerät (11) die Umschaltung der gesteuerten Gleichrichter (E1, E2) vornimmt.

⁶^L

16.1Q.78

0-3 0012/046?