AT524064B1

AT524064B1 - Motortreiber für negative Eingangsspannung

Info

Publication number: AT524064B1
Application number: ATA177/2020A
Authority: AT
Inventors: Himmelstoss Dipl Ing Dr Felix; Votzi Dr Msc Helmut
Original assignee: Fachhochschule Technikum Wien
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-08-05
Publication date: 2022-05-15
Also published as: AT524064A1

Abstract

Antriebsschaltung für einen Gleichstrommotor bei negativer Eingangsspannung, bestehend aus zwei elektronischen Schaltern (S1, S2), beispielhaft mit MOSFETS gezeichnet, zwei Dioden (D1, D2), einer Spule (L1) und einem Kondensator (C1). Die Treiberstufe zieht einen kontinuierlichen Strom aus der Quelle, eignet sich daher besonders für Anwendung bei Solargeneratoren, Batterien oder Brennstoffzellen. Aus EMV Gründen kann es sinnvoll sein, zwischen den Ausgangsklemmen (3, 4) und dem Motor (M) ein kleines LC Filter zu schalten. Der Konverter kann auch eine höhere mittlere Spannung (U2) als die Eingangsspannung (U1) an die Maschine (M) legen.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Antriebsschaltung für einen Gleichstrommotor, bestehend aus einer negativen (1) und einer positiven Eingangsklemme (2) an denen die Eingangsspannung (U+) angeschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4) an denen die Maschine (M) angeschaltet ist, zwei elektronischen Schaltern (S+, S2) mit zugehörigen Treiberstufen, zwei Dioden (D-+, D»), einer Spule (L+) und einem Kondensator (C1).

[0002] Auch wenn für viele Anwendungen in der Antriebstechnik Drehstrommaschinen verwendet werden, sind auch heute noch jährlich, besonders im Kleinleistungsbetrieb, viele zig Millionen permanent erregte Gleichstrommaschinen verbaut. Um die Drehzahl zu variieren benötigt man DC/DC Konverter, die die Spannung von null beginnend stellen können. Der hier vorgestellte Konverter für einen Motor kann die Eingangsspannung nicht nur tiefsetzen, sondern auch hochsetzen und eignet sich daher als Antriebsstufe. Eine weitere günstige Eigenschaft ist, dass der Eingangsstrom kontinuierlich ist. Dies ist nicht nur bei Batterieanwendungen sondern auch bei Solargeneratoren und Brennstoffzellen von Bedeutung. Durch den induktiven Eingang der Schaltung wird auch kein Eingangskondensator benötigt.

ZUM ALLGEMEINEN STAND DER TECHNIK.

[0003] DE 4018930 A1 (KLUG ROLF DIETER DIPL ING UNIV) 09. Januar 1992 (09.01.1992) zeigt in Fig. 7a einen 2-Quadrant-Gleichstromsteller zur Speisung von Motoren, umfassend eine H-Brücke, welche Schalter (T1, T2), Dioden und im Verbindungszweig eine Induktivität enthält. Die Schaltung unterscheidet sich topologisch deutlich von der hier dargestellten Erfindung.

[0004] DE 102011088457 A1 (BOSCH GMBH ROBERT) 13. Juni 2013 (13.06.2013) zeigt in Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zum Wandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung, umfassend eine H-Brücke, welche Schalter (S1, S4), Dioden (D2, D3) und im Verbindungszweig eine Induktivität (L) enthält. Diese Schaltung entspricht einem bidirektionalen Hoch-Tiefsetzer, unterscheidet sich aber topologisch deutlich von der gegenständlichen Erfindung.

[0005] AT 508808 A1 (HIMMELSTOSS FELIX DIPL ING DR) 15. April 2011 (15.04.2011) zeigt in Fig. 1b ein Stellglied zur Ansteuerung einer Gleichstrommaschine, umfassend Schalter (S1, S2) und Dioden (D1, D2). Diese Struktur dient zur Darstellung des damaligen Standes der Technik.

[0006] Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgestellte Antriebsschaltung ein neues Konzept darstellt, sowohl die Spannung an der Maschine hoch- wie tiefsetzen kann und dabei aus der Quelle einen kontinuierlichen Strom entnimmt.

[0007] Die Schaltung wird für den eingeschwungenen Zustand im kontinuierlichen Betrieb mit idealen Bauteilen erklärt. Die Gleichstrommaschine M wird durch die Serienschaltung von Ankerinduktivität Lu und Quellspannung U4 simuliert. Zur Erklärung dient die Fig. 1.

[0008] Der Konverter hat zwei Moden. Im Mode M1 leiten beide Transistoren (S+, S2), im Mode M2 beide Dioden (D+4, D»).

[0009] Im Modus M1 fließt der Strom der bei der positiven Eingangsklemme (2) in die Schaltung fließt über S+, C:, S» und über L+ in die Quelle zurück. Der Strom in L; nimmt zu. Anschließend werden die beiden Transistoren abgeschaltet. Damit geht der Konverter in den Modus M2 über und beide Dioden schalten ein. An der Spule L+ liegt nun die negative Spannung von C: und die (positive) Eingangsspannung U+. Die Spannung an C;, ist größer als die Eingangsspannung, daher ist die Spannung an der Spule L+ negativ und der Strom sinkt.

[0010] Für den Maschinenstrom gilt in Modus M1, dass er bei der positiven Ausgangsklemme 3 in die Maschine fließt und bei der negativen Ausgangsklemme 4 in den Konverter zurückfließt und sich dort über S+ und C+: schließt. Die Kondensatorspannung sinkt dadurch, weil der Maschinenstrom den Kondensator entlädt. Im Modus M2 fließt der Maschinenstrom im Konverter über D».

[0011] Der Strom der Spule L+ fließt im Modus M1 ebenfalls entladend durch den Kondensator C+, und in M2 positiv und daher ladend durch den Kondensator C;.

[0012] Da im eingeschwungenen Zustand die Spannung an den Spulen im Mittel null ist, kann man mit dem Tastverhältnis d (Einschaltzeit der Transistoren zur Periodendauer) schreiben:

[0013] Konverterinduktivität L;: Spannungszeitgleichgewicht (Uer +U)d = I(—Uc1 + UV4)IC — d) liefert U, = Uc1 (1 — 2d). [0014] Maschineninduktivität Lu: Spannungszeitgleichgewicht (Uc: - Uqg)d = |-Ug|C1 —d) Uq = Ucıd d . Uq = Ta Ur mit d<0,5. [0015] Damit erhält man für die Motordrehzahl mit der Spannungskonstante C: in Abhängigkeit der Eingangsspannung U+ und des Tastverhältnisses d bei idealen Bauteilen „ı1_4 Cg1-2d 1 [0016] Der Konverter hat ein reduziertes Tastverhältnis von weniger 50%. [0017] Figur 1 zeigt das Schaltbild des Konverters mit angeschlossenem Motor, Fig. 2 zeigt das Spannungsübersetzungsverhältnis in Abhängigkeit vom Tastverhältnis beim idealen Konverters

bei idealer Maschine, U» entspricht dabei der Quellspannung Ua. Fig. 3 zeigt das System mit einem zusätzlichen Tiefpass zwischen Konverter und Maschine.

[0018] Die Verluste im leistungselektronischen Konverter sind bei heutigen Bauteilen gering und klein im Verhältnis zu denen, die durch den Verlustwiderstand des Motors Ri verursacht werden. Berücksichtigt man den Widerstand der Maschine Rıv, so kann man für die stationären Zusammenhänge (gekennzeichnet mit dem Index 0) schreiben:

[0019] Für die stationäre Spannung am Kondensator C; erhält man

1 Uc10 = 1-20 U10-

[0020] Für die stationäre Drehzahl ergibt sich

_ ZRmlmot+DoVcıo _ 1 (_D — No = CE CE Ca7 Uca0 Ruglmo)-

[0021] Für den Zusammenhang zwischen Maschinenstrom und dem mittleren Strom in der Spule

L; erhält man

D In = ZI. L10 1-2D, MO

[0022] Der Motorstrom ergibt sich durch das Lastmoment Miasto und die Momentenkonstante Cm der Maschine zu

Imo = Tas [0023] Die Spannung an der Maschine ist pulsförmig. Dies kann besonders bei sehr schnellen Spannungsänderungsgeschwindigkeiten zu starker Belastung der Motorwicklungsisolierung und zu deutlich messbaren Verschiebungsströmen führen. Es kann daher sinnvoll sein, die Maschine nicht direkt an die Ausgangsklemmen (3) und (4) zu schalten, sondern über ein LC Tiefpassfilter. Man erkennt auch, dass die Schaltung mit zusätzlichem Filter auch allgemein als Konverter für negative Eingangsspannungen verwendet werden kann.

[0024] Die Aufgabe einen Motortreiber für negative Eingangsspannungen zu realisieren, wird erfindungsgemäß so bewerkstelligt, dass die positive Eingangsklemme (2) mit der negativen Ausgangsklemme (4) verbunden ist, an die negative Eingangsklemme (1) der zweite Anschluss der Spule (L+) geschaltet ist, der erste Anschluss der Spule (L+) an die Kathode der ersten Diode (D+) und den negativen Anschluss des zweiten elektronischen Schalters (S>) geschaltet ist, die Anode der ersten Diode (D+4) an den negativen Anschluss des ersten elektronischen Schalter (S+) und den zweiten Anschluss des Kondensators (C+) geschaltet ist, der positive Anschluss des ersten elektronischen Schalters (S+) und die Anode der zweiten Diode (D») an die positive Eingangsklemme (2) geschalten sind, der erste Anschluss des Kondensators (C+), der positive Anschluss des zweiten elektronischen Schalters (S>), die Kathode der zweiten Diode (D»2) und die positive Ausgangsklemme (3) miteinander verschaltet sind.

[0025] Es kann aus Entstörgründen sinnvoll sein, dass zwischen den Ausgangsklemmen des Konverters und der Maschine M ein LC Tiefpassfilter, bestehend aus einer weiteren Spule (L>) und einem weiteren Kondensator (C»), geschaltet ist.

[0026] Die Kapazitäten werden durch Elektrolytkondensatoren mit parallel liegenden Folien- oder Keramikkondensatoren oder durch Folien- oder Keramikkondensatoren realisiert.

[0027] Um die Ansteuerung zu erleichtern, kann man die Ansteuerschaltung mittels kundenspezifischer integrierter Schaltung realisieren.

Claims

Patentansprüche

1. Antriebsschaltung für einen Gleichstrommotor, bestehend aus einer negativen (1) und einer positiven Eingangsklemme (2) an denen eine Eingangsspannung (U+) angeschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4) an denen eine Maschine (M) angeschaltet ist, zwei elektronischen Schaltern (S+, S2) mit zugehörigen Treiberstufen, zwei Dioden (D+, D»2), einer Spule (L+;) und einem Kondensator (C+) dadurch gekennzeichnet, dass die positive Eingangsklemme (2) mit der negativen Ausgangsklemme (4) verbunden ist, an die negative Eingangsklemme (1) der zweite Anschluss der Spule (L+) geschaltet ist, der erste Anschluss der Spule (L+) an die Kathode der ersten Diode (D+;) und den negativen Anschluss des zweiten elektronischen Schalters (S2) geschaltet ist, die Anode der ersten Diode (D+) an den negativen Anschluss des ersten elektronischen Schalter (S+;) und den zweiten Anschluss des Kondensators (C+) geschaltet ist, der positive Anschluss des ersten elektronischen Schalters (S+) und die Anode der zweiten Diode (D»2) an die positive Eingangsklemme (2) geschalten sind, der erste Anschluss des Kondensators (C+), der positive Anschluss des zweiten elektronischen Schalters (S»), die Kathode der zweiten Diode (D2) und die positive Ausgangsklemme (3) miteinander verschaltet sind.

2. Antriebsschaltung für einen Gleichstrommotor gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgangsklemmen (3, 4) der Antriebsschaltung und der Maschine (M) ein LC Tiefpassfilter, bestehend aus einer weiteren Spule (L2) und einem weiteren Kondensator (C2), geschaltet ist.

3. Antriebsschaltung für einen Gleichstrommotor gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren durch Elektrolytkondensatoren mit parallel liegenden Folien- oder Keramikkondensatoren oder durch Folien- oder Keramikkondensatoren realisiert sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen