AT508808A1 - Ein- und zweiquadrantenstellglieder mit spartrafo - Google Patents

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Description

Ein- und Zweiquadrantenstellglieder mit Spartrafo
Die Erfindung betrifft Stellglieder zur Ansteuerung eines Aktuators, einer Gleichstrommaschine oder anderer Lasten, bestehend aus einer ersten und einer zweiten Eingangsklemme, einer ersten und einer zweiten Ausgangsklemme, einem aktiven und einem passiven Schalter samt Ansteuerung, zwei miteinander gekoppelte in Serie geschaltete Wicklungen und einem Kondensator.
Um Gleichstrommaschinen in der Drehzahl zu verändern, muss die Spannung an den Ankerklemmen verändert werden. Dies geschieht durch Stellglieder. Ebenso muss an induktive Aktuatoren eine variable Spannung gelegt werden um den Strom zu verändern. Die Induktivität kann dabei z.B. bei einem Hubmagneten variabel zum Abstand sein. Im Gegensatz zur Gleichstrommaschine tritt jedoch keine oder nur eine geringe Quellspannung in der Last auf.
Der Stand der Technik und die neuen Stellerschaltungen werden anhand der Abbildungen besprochen. Figur 1 zeigt den klassischen Ein- und Zweiquadrantenantrieb. Figur 2 zeigt einen Hoch-Tiefsetzsteller in Einquadranten- und ZweiquadrantenausfÜhrung. Figur. 3. a und b zeigen zwei neue Konverter für Einquadrantenbetrieb und Fig. 4.a und b die Erweiterung auf Zweiquadrantenbetrieb, Fig.5.a und b zeigen eine Abwandlungen die mit einer Halbbrücke aufgebaut sind. Figur 6.a und 6.b zeigen weitere neue Stellerschaltung als Einquadratenkonverter und in Figur 7.a und 7.b als Zweiquadrantenkonverter.
Die klassische Methode, einen Einquadrantensteller für einen Aktuator, z.B. eine Gleichstrommaschine oder einen Magnet, zu realisieren ist der Tiefsetzsteller, in diesem Fall bestehend aus einem aktiven Schalter und einer Diode (Fig. 1 .a). An den Aktuator wird dabei abwechselnd die Betriebsspannung und nach Abschalten des aktiven Schalters, bedingt durch das Einschalten der Diode zur Abmagnetisierung, die negative Flussspannung der Diode gelegt. Mit dieser einfachen Schaltung kann man nur eine Spannung in einer Richtung an und einen Strom in einer Richtung durch den Aktuator legen bzw. fließen lassen. Ein Bremsen einer Gleichstrommaschine ist daher nicht möglich, da um ein Bremsmoment zu erzeugen, ein negativer Strom erforderlich ist. Die Maschine kann also nur auslaufen. Dies ist z.B. für Lüfter oder Pumpenantriebe auch völlig ausreichend, ebenso bei einem Hubmagneten. Will man jedoch ein definiertes Stillsetzen eines Gleichstromantriebs, so muss die Stromrichtung umgekehrt werden. Das erfordert einen Zweiquadrantenantrieb. Dazu wird der aktive Schalter durch eine antiparallele Diode und die Diode durch einen antiparallelen aktiven Schalter überbrückt (Fig. l.b). 1 P82/fh/20091014
Möchte man an die Last eine höhere Spannung als die zur Verfügung stehende Betriebsspannung legen, so kann man das mit einem Hoch-Tiefsetzsteller (Buck-Boost Konverter) bewerkstelligen. Neben einem aktiven Schalter und der Diode benötigt man noch einen Kondensator und eine Spule (Fig. 2.a). Die Klemmenspannung am Aktuator hängt dann von der Eingangsspannung Ul und dem Tastverhältnis d (dem Verhältnis von Einschaltzeit des aktiven Schalters zur Schaltperiode) ab. Bei einem idealen Konverter und kontinuierlichem (nicht lückendem) Betrieb, ergibt sich für den Mittelwert der Lastspannung UM
Auch hier ist es leicht möglich, einen Zweiquadrantensteller zu bauen (Fig. 2.b).
Die folgenden Schaltungen zeichnen sich durch die Verwendung eines Spartransformators aus. Die Wicklungen sind nicht galvanisch getrennt. Man kann sie auch als Spule mit Anzapfung auffassen oder als einen induktiven Dreipol. Figur 3.a stellt eine erste Anordnung zur Realisierung eines Einquadrantenstellers mit einem Spartransformator dar. Die Klemmenspannung an der Last ist gepulst, hat aber unter der Voraussetzung von idealen Bauelementen im Konverter und bei vernachlässigtem ohmschen Widerstand der Last denselben Mittelwert wie beim Buck-Boost Konverter nur durch das Übersetzungsverhältnis des Spartransformators multiplikativ verändert. Bei einer Gleichstrommaschine wird sich im stationären Fall eine Quellenspannung Uq von d Nx + N2 u°-t emsteilen (entspricht auch dem Mittelwert der Lastspannung). Da die Quellenspannung eine Funktion der Drehzahl ist, kann man mit der Spannungskonstante Ce der Maschine für die stationäre Drehzahl «o schreiben _ 1 d N2 n° cE'l-d'N,+N2' 1‘
Figur 4.a zeigt die Adaptierung der Schaltung nach Fig. 3.a für den Zweiquadrantenbetrieb. Damit ist Bremsbetrieb und daher ein definiertes Bremsen und Stillsetzen möglich.
Vorteilhaft ist die Realisierung mit Hilfe einer Halbbrücke. Damit sind die parasitären Induktivitäten gering und die Überspannungen an den Schaltelementen halten sich in Grenzen. Ebenso gibt es eine reiche Auswahl von Treiber-ICs. Die Fig. 5.a zeigt eine solche Lösung. Es sei hier angemerkt, dass die Last nun nicht mehr mit einem Pol an den P82/fh/20091014 2 gemeinsamen Ein- und Ausgang der Konverterschaltung geschaltet ist, sondern in Bezug zur Eingangsspannung springt. Das kann zu zusätzlichen störenden Verschiebungsströmen und EMV Beeinflussungen führen (z.B. über das Gehäuse der Last).
Figur 3.b zeigt eine andere Beschaltung des Spartransformators. Idealisiert (ideale Bauelemente, keine Verluste) lässt sich für den Mittelwert der Ausgangsspannung n^n2 *1 U - ^ 3,4 1 -d angeben. Figur 4.b zeigt die Adaptierung der Schaltung nach Fig. 3.a für den Zweiquadrantenbetrieb. Ein Aufbau mit Halbbrücke ist auch hier möglich (Fig. 5.b). Es gelten auch hier die oben erwähnten Vor- und Nachteile.
Figur 6.a und Fig. 6.b zeigen einen etwas anderen Schaltungsaufbau. Die Schaltung nach Fig.6.a hat dieselbe Ausgangsspannungsgleichung wie Fig. 4.b und Fig. 6.b wie Fig. 4.a.
Figur 7.a und Fig. 7.b zeigt die Erweiterung auf Zweiquadrantensteller mit Halbbrücke. Die Lastspannung ist dabei mit einer Klemme mit der Eingangsspannung verbunden. Es kommt also nicht zu einem springenden Potential an einer Ausgangsklemme.
Bei beiden Varianten nach Fig. 6 und Fig. 7 ist der Quellstrom kontinuierlich (er springt jedoch) und nicht wie bei den Lösungen gemäß Fig. 1 bis Fig. 5 pulsförmig. Dies führt zu einer Verkleinerung des parallel zur Quelle liegenden Kondensators. Durch diesen Kondensator wird vermieden, dass durch die Quelle eine Wechselstromkomponente fließt.
Die Aufgabe einen Gleichstrommotor oder andere Lasten anzusteuem wird erfmdungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) die Serienschaltung des aktiven Schalters (S) mit den gekoppelten Wicklungen (N1,N2) und parallel zu einer der gekoppelten Spulen (N2) die Serienschaltung des Kondensators (C) und der Diode (D) geschaltet ist und parallel zur Diode (D) die erste (3) und die zweite Ausgangsklemme (4) geschaltet sind (Anspruch 1, Fig.3.a), oder dass zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) die Serienschaltung des aktiven Schalters (S) mit einer (N2) der zwei gekoppelten Wicklungen und parallel zu beiden gekoppelten Spulen (NI, N2) die Serienschaltung des Kondensators (C) und der Diode (D) geschaltet ist und parallel zur Diode (D) die erste (3) und die zweite Ausgangsklemme (4) geschaltet sind (Anspruch 2, Fig.3.b), oder dass zwischen der ersten (1) und zweiten Eingangsklemme (2) die erste Wicklung (NI) der miteinander gekoppelten Wicklungen und der aktive Schalter (S) in Serie geschaltet sind und dass parallel zum aktiven Schalter (S) die Serienschaltung der zweiten Wicklung der miteinander gekoppelten Wicklungen (N2), des P82/fh/20091014 3
Kondensators (C) und der Diode (D) geschaltet ist und parallel zur Diode (D) die erste (3) und die zweite Ausgangsklemme (4) geschaltet sind (Anspruch 3, Fig. 6.a), oder dass zwischen der ersten (1) und zweiten Eingangsklemme (2) die miteinander gekoppelten Wicklungen (NI, N2) und der aktive Schalter (S) in Serie geschaltet sind und dass parallel zur Serienschaltung des aktiven Schalter (S) und der zweiten Wicklung (N2) der miteinander gekoppelten Wicklungen (NI, N2) die Serienschaltung des Kondensators (C) und der Diode (D) geschaltet ist und parallel zur Diode (D) die erste (3) und die zweite Ausgangsklemme (4) geschaltet sind (Anspruch 4, Fig. 6.b). Um die Schaltung bidirektional auszuführen, wird der aktive Schalter durch eine zweite antiparallele Diode und die Diode durch einen zweiten antiparallelen aktiven Schalter überbrückt (Anspruch 5). Diese Erweiterung kann oft sinnvoll so erfolgen, dass die Verschaltung des aktiven Schalters, der Diode mit dem zweiten aktiven Schalter und der zweiten Diode mit Hilfe eines Halbbrückenmoduls durchgefuhrt wird (Anspruch 6). Zusätzlich kann zwischen der ersten und der zweiten Eingangsklemme ein zweiter Kondensator geschaltet sein (Anspruch 7). 4 P82/fh/20091014

Claims (7)

  1. Patentansprüche 1. Stellglied zur Ansteuerung eines Aktuators, einer Gleichstrommaschine oder anderer Lasten, bestehend aus einer ersten (1) und einer zweiten Eingangsklemme (2), einer ersten (3) und einer zweiten Ausgangsklemme (4), einem aktiven (S) und einem passiven Schalter (D) samt Ansteuerung, zwei miteinander gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (NI, N2) und einem Kondensator (C) dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) die Serienschaltung des aktiven Schalters (S) mit den gekoppelten Wicklungen \ (N1,N2) und parallel zu einer der gekoppelten Spulen (N2) die Serienschaltung des Kondensators (C) und der Diode (D) geschaltet ist und parallel zur Diode (D) die erste (3) und die zweite Ausgangsklemme (4) geschaltet sind.
  2. 2. Stellglied zur Ansteuerung eines Aktuators, einer Gleichstrommaschine oder anderer Lasten, bestehend aus einer ersten (1) und einer zweiten Eingangsklemme (2), einer ersten (3) und einer zweiten Ausgangsklemme (4), einem aktiven (S) und einem passiven Schalter (D) samt Ansteuerung, zwei miteinander gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (NI, N2) und einem Kondensator (C) dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) die Serienschaltung des aktiven Schalters (S) mit einer (N2) der zwei gekoppelten Wicklungen und parallel zu beiden gekoppelten Spulen (NI, N2) die Serienschaltung des Kondensators (C) und der Diode (D) geschaltet ist und parallel zur Diode (D) die erste (3) und die zweite Ausgangsklemme (4) geschaltet sind.
  3. 3. Stellglied zur Ansteuerung eines Aktuators, einer Gleichstrommaschine oder anderer Lasten, bestehend aus einer ersten (1) und einer zweiten Eingangsklemme (2), einer ersten (3) und einer zweiten Ausgangsklemme (4), einem aktiven (S) und einem passiven Schalter (D) samt Ansteuerung, zwei miteinander gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (NI, N2) und einem Kondensator (C) dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1) und zweiten Eingangsklemme (2) die erste Wicklung (NI) der miteinander gekoppelten Wicklungen und der aktive Schalter (S) in Serie geschaltet sind und dass parallel zum aktiven Schalter (S) die Serienschaltung der zweiten Wicklung der miteinander gekoppelten Wicklungen (N2), des Kondensators (C) und der Diode (D) geschaltet ist und parallel zur Diode (D) die erste (3) und die zweite Ausgangsklemme (4) geschaltet sind. 5 P82/fh/20091014
  4. 4. Stellglied zur Ansteuerung eines Aktuators, einer Gleichstrommaschine oder anderer Lasten, bestehend aus einer ersten (1) und einer zweiten Eingangsklemme (2), einer ersten (3) und einer zweiten Ausgangsklemme (4), einem aktiven (S) und einem passiven Schalter (D) samt Ansteuerung, zwei miteinander gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (NI, N2) und einem Kondensator (C) dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1) und zweiten Eingangsklemme (2) die miteinander gekoppelten Wicklungen (NI, N2) und der aktive Schalter (S) in Serie geschaltet sind und dass parallel zur Serienschaltung des aktiven Schalter (S) und der zweiten Wicklung (N2) der miteinander gekoppelten Wicklungen (NI, N2) die Serienschaltung des Kondensators (C) und der Diode (D) geschaltet ist und parallel zur Diode (D) die erste (3) und die zweite Ausgangsklemme (4) geschaltet sind.
  5. 5. Stellglied gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Schalter (S) durch eine zweite antiparallele Diode und die Diode (D) durch einen zweiten antiparallelen aktiven Schalter überbrückt ist.
  6. 6. Stellglied gemäß Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltung des aktiven Schalters (S) mit der parallel geschalteten zweiten Diode und der Diode (D) mit dem zweiten aktiven Schalter mit Hilfe eines Halbbrückenmoduls erzielt wird.
  7. 7. Stellglied gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) ein zweiter Kondensator geschaltet ist. 6 P82/fh/20091014
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