CN100555834C - 用于调节电动机特性曲线的电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于以前联元件(14)调节电动机特性曲线、尤其是稳定两相同步电动机(2)的电动机最大转矩的电路结构(1)。前联元件(14)连接在被实施为中性线的第一电力线(12.1)和同步电动机(2)的公共相(11)之间，而且被实施为导线的第二电力线(12.2)与同步电动机(2)的一相连接。按照本发明，采用晶体管-二极管组合(3)作为电压可变的前联元件(14)，其中为了实现流过同步电动机(2)的近似恒定的正弦形交流电压振幅和/或交流电流振幅，针对脉动式电网电压的最大峰值电压设计并且被构造为在工作点可模拟控制的晶体管(4)是非脉冲式的双极晶体管或场效应晶体管(FET)，而且二极管(6)形成为整流桥(5)。

Description

用于调节电动机特性曲线的电路装置

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1前序部分的用于调节电动机特性曲线、尤其用于稳定两相同步电动机的电动机最大转矩的电路装置。

背景技术

同步电动机对于汽车通信或办公通信、医疗技术、机械制造、消费电子、建筑装备或测量技术领域中很多价格敏感的应用来说是可靠的伺服驱动装置。

在建筑装备领域，同步电动机例如用作供热阀门的伺服驱动装置。通过相对小的同步电动机与变速器的组合，可以基于变速器减速比产生非常高的调节力。

由于同步电动机直接在交流电网上运行，因此大多数情况下可以不需要电压层面的匹配。对于两相实现的同步电动机来说，第二相通过工作电容器C_M由电网相位形成。为此，广泛使用其中形成公共相的并联。

同步电动机在不同电网电压下的运行通常需要欧姆R_v或电容C_v电阻其作为前联元件(Vorschaltelement)。

同步电动机的转数通过电动机的结构、尤其通过定子的极数2p以及供电网的频率f来确定。该转数与转矩无关。

同步电动机以同步转数旋转，并且在此期间可以从空转一直加载到最大转矩，而不改变其转数。该最大转矩被称为M_k。它是同步电动机的稳定极限；在负载更高时，同步电动机会不稳定地运行并停转。实际使用的缺点是最大转矩M_k与电压有关。最大转矩M_k与供电电压U之间存在直接的比例关系M_k＝f(U)，从而由于电网电压容差而很难精确限制同步电动机的转矩。

根据现有技术，需要限制转矩的同步电动机应用由同步电动机/同步驱动电动机和弹簧机械装置的组合形成，其中弹簧机械装置在限定的并且低于最大转矩M_k的电动机负载力矩时启动断开同步电动机的微键按钮。

对于在达到限定的电动机负载力矩时有针对性地断开同步电动机的另一个替换方式是，设置具有永久磁铁的离合器，或者设置实施为摩擦离合器的离合器。除了这种机械断开的优点-即与在同步电动机的调节范围的末端处的末端断开一样，在运转过程中可以采用相同的机械装置来在过载时执行断开-之外，也显示出明显的缺陷，如使用额外的机械元件、机械磨损、寿命减小、需要一个或多个断路元件，或者在制造时调整或控制断路特性。

此外，WO02/095926A1或DE20008483U1公开了一种用于断开同步电动机的电路装置。其中，在只采用唯一一个交流电压开关元件的情况下，在超过电动机最大转矩时廉价和可靠地实施断路。其中，在阻断时刻所出现的最大转矩也极度依赖于电网电压。

总之，为了借助供电电压的终端断路来限制执行元件的转矩，在现有技术中采用晶闸管、三端双向可控硅开关、光电三端双向可控硅开关元件、继电器和微型开关。

此外，DE19533076A1介绍了一种用于同步电动机的控制电路，其中借助三端双向可控硅开关实现电动机的异步启动。

通常，在采用晶闸管或三端双向可控硅开关时将激励电路与相位截止控制装置组合起来。由此可以有效地有针对性地降低或调节工作交流电压。典型的应用例子是调光器(Leuchtendimmer)。但是，对于用于调节同步电动机的最大转矩M_k，这种相位截止控制装置是不利的，因为谐波干扰同步电动机的同步运转并因此产生额外的噪声。只有在保持近似正弦形的电压曲线时，才能够不产生额外的噪声，并保持所确定大小的工作电容器的正常功能。

现有技术中已知的按照DE3509451A1的电路装置为了解决这些缺陷、如电动机的巨大噪声，采用快速时钟开关(Taktschalter)来用于相位截止控制。借助于脉冲宽度调制(PWM)或频率调制(PFM)来控制该时钟开关，并因此保持正弦形的电流曲线。实施为晶体管的时钟开关始终作为具有极短开关时间、优选具有大于可听范围的频率的开关工作。该时钟电路的良好效率和控制的极小热负载要以非常复杂并且对于所确定尺寸的跨接电路非常昂贵的相应自激电路来换取。该跨接电路必须与时钟电路同步，因此不会出现开关峰值(Schaltspitzen)并损坏部件。出于成本原因，该解决方案不适于采用几瓦特功率的爪极电动机(Klauenpolmotor)。与一般公知的现有技术相比，存在这样的问题，即使用传统频率转换器AC/DC-DC/AC是否不是很贵而且在实际转换中是否提供其它优点。该解决方案的最大缺陷在于产生由线路带来的和辐射的干扰，该干扰通过时钟开关的快速开关边缘产生。根据实际经验，这种脉冲式功率开关在EMV方面还需要另外的成本高的保护措施。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是提出一种用于调整电动机特性曲线、尤其是调整两相同步电动机的电动机最大转矩的电路装置，利用该电路装置，即使供电电压波动也能既限制转矩又在过载后或在达到末端止动(Endanschlag)时识别和断开同步电动机。

按照本发明的概念，用于调节电动机特性曲线、尤其用于稳定两相同步电动机的电动机最大转矩的电路装置具有前联元件，其中该前联元件连接在被实施为中性线的第一电力线和同步电动机的公共相之间，并且被实施为导线的第二电力线与同步电动机的一相连接。按照本发明，采用晶体管-二极管组合作为电压可变的前联元件，其中为了实现流过同步电动机的近似恒定的正弦形交流电压振幅和/或交流电流振幅，针对脉动式电网电压的最大峰值电压设计并且工其作点可被构造为可模拟控制的晶体管是非脉冲式双极晶体管或场效应晶体管，而且二极管被形成为整流电桥。

因此，通过不采用对时钟开关进行脉冲宽度调制或频率调制的装置来解决功率降低，本发明避免了自激电路和EMV的缺陷。

本发明的用于调节电动机特性曲线的电路装置的原因是为步进电动机和同步电动机常年使用机械过载离合器以及出于研发的考虑，电动机本身是一种电磁离合装置，也就是说在过载时不前进(Schritt)。通过始终根据瞬时电网电压或电动机电流自动调节的前联电阻(Vorwiderstand)，可以从技术上解决这个问题。

根据阻值，电网电压的不同分量在前联元件上降落。按照本发明，可以这样控制被实施为晶体管-二极管组合的前联元件，使得同步电动机上的交流电压振幅始终保持恒定。由于该恒定电压，在电动机温度恒定的情况下也流过恒定的电动机电流。所出现的损耗功率导致前联电阻发热，并限制将该原理实际应用到功率为几瓦特的小同步电动机上。

为了保护晶体管免受同步电动机的合理交变的供电电压的影响，使用多个被形成为整流电桥的二极管。根据同步电动机的供电电压的大小，实现二极管的必要尺寸确定。同步电动机的典型供电电压是24VAC或230VAC，因此根据该电压确定二极管的大小。

在交流电压下使用晶体管或在具有脉动式直流电压的整流电桥中使用时，要注意，晶体管上的电压一直在变化，但是差分电阻应当保持近似恒定。

为了产生双极晶体管的模拟内部控制电压U_st，使用可加载双极晶体管的负载电流或同步电动机上的电压降的内部分析和控制单元。在此，分析和控制单元与双极晶体管的基极传导信号地耦合，整流电桥的电压点U+与双极晶体管的集电极传导信号地耦合，整流电桥的电压点U-与双极晶体管的发射极以及分析和控制单元传导信号地耦合。

与此相反，在使用场效应晶体管(FET)时，为了产生FET的内部控制电压U_St，只使用可加载FET的负载电流的内部分析和控制单元。在此，整流电桥的电压点U+与FET的漏极耦合，分析和控制单元与FET的源极和整流电桥的电压点U-耦合，FET的栅极与整流电桥的电压点U-耦合。

按照本发明，使用自传导的(selbstleitend)SFET作为FET，其通过源极和电压点U-之间导流电阻(Stromfuehlerwiderstand)上的电压降来控制。

在本发明的一个优选扩展中，内部分析和控制单元为了电压测量和电压监控的目的而与电动机线圈(Motorspulen)和晶体管耦合。本发明的核心思想在于，使用电压测量和电压监控和/或附加地使用电动机线圈上的相位角测量来进行同步电动机的电气终止位置识别(Endlagenerkennung)并与建议的前联元件组合。

在本发明的另一实施方式中，分析单元与控制单元局部分开地设置。其中，实施为微控制器的外部控制单元为晶体管产生控制电压。除了内部分析和控制单元之外，外部控制单元为了电压测量和电压监控的目的也与电动机线圈和晶体管耦合。

内部分析单元和外部控制单元的设置需要电位分离。为此，在实践中例如使用光耦合器。

为了在同步电动机达到其终止位置时断开同步电动机，完全截止晶体管，并且其中中断同步电动机的公共相。因此，按照本发明，晶体管被模拟地控制，以便在正常运转时使电动机最大转矩M_K保持恒定，但在过载情况下，晶体管可以附加地作为电源开关工作。

附图说明

在仔细研究下面参考附图对本发明的优选但非限制性的示例实施方式的详细描述之后，可以更好地理解和评估本发明的目标和优点，附图中：

图1示出现有技术中公知的用于以工作电容器C_M控制同步电动机的电路装置，

图2示出现有技术中公知的用于以电压不变的前联元件R_v或C_v控制同步电动机的电路装置，

图3以图形形式示出同步电动机的电动机最大转矩M_k与电动机供电电压之间的相关关系，

图4示出用于以电压可变的前联元件控制同步电动机的电路装置，

图5示出用于以被构造为双极晶体管-二极管组合的前联元件控制同步电动机的电路装置，

图6示出用于以被构造为FET-二极管组合的前联元件控制同步电动机的电路结构，

图7-10以波形图为不同电网电压示出晶体管上的电压U_CE以及通过电动机绕组的受控相电流。

具体实施方式

图1示出了现有技术中公知的用于以工作电容器C_M13控制同步电动机2的电路结构1。对于这里所示的两相同步电动机2来说，第二相通过工作电容器C_M 13由供电电压10的电网相位(Netzphase)形成。为此，普遍采用其中形成公共相11的并联电路。在此，电动机线圈用附图标记2.1表示，用于同步电动机2旋转方向变换的开关元件用附图标记15表示。

在图2中示出现有技术中公知的用于以电压不变的前联元件14控制同步电动机2的电路结构1。在此，第二相也通过工作电容器C_M13由供电电压10的电网相位形成。为了能够在不同供电电压10驱动同步电动机2，可以使用欧姆Rv或电容Cv电阻作为电压不变的前联元件14。同步电动机的公共相11、同步电动机的电动机线圈2.1和用于同步电动机2旋转方向变换的开关元件15与图1中的相对应。

图3以图形形式示出同步电动机2的电动机最大转矩M_k与电动机供电电压之间的相关关系。斜线表示按照现有技术，电动机最大转矩M_k如何受到电动机供电电压改变的影响。相反，水平线表示根据本发明的解决方案，即通过使用图4至图10所述的电压可变的前联元件14使同步电动机2上的电压保持恒定。

图4示出根据本发明的用于以电压可变的前联元件14控制同步电动机2的电路结构1。具有工作电容器C_M 13、同步电动机2的电动机线圈2.1、公共相11以及用于同步电动机2旋转方向变换的开关元件15的电路结构1基本构造与图2中的相对应。根据阻值，电网电压的不同大小在前联元件14上下降。可以这样控制前联元件14，使得同步电动机2上的电压保持恒定。由于恒定的电压，在电动机温度恒定的情况下，也流过恒定的电动机电流。

图5示出根据图4的用于以被构造为晶体管-二极管组合3的前联元件14控制同步电动机2的电路结构1。作为可控的前联元件14，优选使用双极晶体管，其中借助于被构造为整流电桥5的二极管电路保护其免受交变的交流电压的损害。在整流电桥5的电路点U-9和U+8之间设置双极晶体管。在此，电路点U+8与双极晶体管的集电极4.2连接，电路点U-9与双极晶体管的发射极4.3连接。通过晶体管-二极管组合3保证，电气开关或双极晶体管上的电压总是具有相同极性。双极晶体管可以在其基极4.1上通过控制电压U_St而被模拟地控制。控制电压U_St需要参照电势U-，并因此也参照供电电压Us 10。通过电势参照，防触电地实施电路结构1是必须的。为了产生双极晶体管的控制电压U_St，使用可加载双极晶体管的负载电流的内部分析和控制单元7。整流电桥5的电压点U-9既与双极晶体管的发射极4.3、又与分析和控制单元7传导信号地耦合。为了测量电压和监控电压，内部分析和控制单元7通过整流电桥5与电动机线圈2.1和双极晶体管耦合。特别有利地，除了测量电压和监控电压之外，还使用电动机线圈2.1上的相位角测量来电气识别同步电动机2的终止位置。

图6示出根据图4的用于以被实施为FET-二极管组合3的前联元件14控制同步电动机2的电路结构1。作为可控的前联元件14，这里使用FET，其中借助于被实施为整流电桥5的二极管电路保护其免受交变的交流电压的损害。在整流电桥5的电路点U-9和U+8之间设置FET。作为内部分析和控制单元7，这里使用设置在FET的源极4.3和整流电桥5的电压点U-9之间的导流电阻。此外，整流电桥5的电压点U+8与FET的漏极4.2耦合，FET的栅极4.1与整流电桥5的电压点U-9、并因此也与FET的源极4.3耦合。图6的作为自导通的耗尽层FET(损耗模式结型场效应晶体管)与二极管电桥中导流电阻的组合的电路结构形成本发明前联元件的最简单的实施方式。根据对最大转矩M_k的调节质量的要求，还可以实施其它部件来对工作点进行调节和温度补偿。特别有利地，在本发明的该实施方式中，除了测量电压和监控电压之外，还可以在电动机线圈2.1上进行相位角测量，以电气识别同步电动机2的终止位置。附图标记12.1和12.2表示第一和第二电力线。

在图7-10中所示出的波形图与图5组合地表示例如标称电压为24V_AC的Saia-Burgess同步电动机UCR1 2的所实现的控制曲线。

对于不同的电网电压Us或控制电压U_St，分别示出了晶体管U_CE上的电压16(上图)和流过电动机线圈2.1的受控相电流17(下图)。在控制电压U_St＝0V时，双极晶体管4作为开关完全截止，而同步电动机2则完全断开。借助于控制电压U_St，在激活范围内运行分析和控制单元7的调节器，并设置相电流17的额定值为大约39mA。因此，还稳定了电动机最大转矩、即过载转矩。

如果测量交流电压U₁和U₂的两个峰值以及U+相对于U-的峰值电压，则可以计算电动机线圈2.1上的电压。因此，可以由关系式M_K＝f(U)出发，参照电势U-地使用分析和控制单元7，以便保持电动机线圈2.1上的电压峰值近似恒定，并因此保证与电网电压无关的最大转矩M_K。对于U₁＞U₂的情况：

$\hat{U}\≈{\hat{U}}_1-{\hat{U}}_{\mathrm{CE}}$

对于同步电动机2的旋转方向反转情况下开关元件15的其它位置则有：

$\hat{U}\≈{\hat{U}}_2-{\hat{U}}_{\mathrm{CE}}$

为了在没有附加开关元件、如终止位置开关的执行机构应用中断开同步电动机2以附加地调节最大电动机转矩，间接影响双极晶体管4的控制的制动识别(Anschlagerkennung)是必需的。所提出的具有晶体管-二极管组合3的电路变形使得可以支持以下方式的选项：

如果同步电动机2例如达到其终止位置，则通过工作电容器13供以电流的电动机线圈2.1的电压降变化明显。也就是说，利用电压测量，可以监控受控的最大转矩M_K的超过，并在终止止动处或在过载时断开同步电动机2。因此，本发明的电路结构1可以自主地识别同步电动机2的调节范围。检测同步损耗的一种替换方法是分析所测量的两个电压U₁和U₂之间的相移。该相移的值在正常运行时大约是90度，而且在同步电动机2止动时变化很大。

附图标记列表

1电路结构

2同步电动机

2.1电动机线圈

3晶体管-二极管组合

4晶体管

4.1晶体管的基极/栅极

4.2晶体管的集电极/漏极

4.2晶体管的发射极/源极

5整流电桥

6二极管

7分析和控制单元

8电路点U+

9电路点U-

10供电电压

11公共相

12.1第一电力线

12.2第二电力线

13工作电容器

14前联元件

15开关元件

16晶体管上的电压U_CE

17流过电动机绕组的相电流

Claims (15)

1.一种用于利用前联元件(14)稳定两相同步电动机(2)的电动机最大转矩的电路装置(1)，其中所述前联元件(14)连接在被构造为中性线的第一电力线(12.1)和所述同步电动机(2)的公共相(11)之间，并且被实施为导线的第二电力线(12.2)与所述同步电动机(2)的一相连接，其特征在于，使用晶体管-二极管组合(3)作为电压可变的前联元件(14)，其中为了实现流过所述同步电动机(2)的近似恒定的正弦形交流电压振幅和/或交流电流振幅，针对脉动式电网电压的最大峰值电压设计的、并且被构造为在其工作点可模拟控制的晶体管(4)是非脉冲式双极晶体管，并且所述二极管(6)被形成为整流电桥(5)。

2.根据权利要求1所述的电路装置(1)，其特征在于，为了产生双极晶体管的模拟内部控制电压U_St，设置内部分析和控制单元(7)，其中

a.所述分析和控制单元(7)与所述双极晶体管的基极(4.1)耦合，

b.所述整流电桥(5)的电压点U+(8)与所述双极晶体管的集电极(4.2)耦合，

c.所述整流电桥(5)的电压点U-(9)与所述双极晶体管的发射极(4.3)以及所述分析和控制单元(7)耦合。

3.根据权利要求2所述的电路装置(1)，其特征在于，为了产生双极晶体管的内部控制电压U_St，所述内部分析和控制单元(7)被构造为能加载有所述晶体管(4)的负载电流或能加载有所述同步电动机上的电压降。

4.根据权利要求2至3中任一项所述的电路装置(1)，其特征在于，所述分析和控制单元(7)为了电压测量和电压监控的目的而与电动机线圈(2.1)和所述晶体管(4)耦合。

5.根据权利要求4所述的电路装置(1)，其特征在于，使用电压测量和电压监控和/或使用电动机线圈(2.1)上的相位角测量来电气识别同步电动机(2)的终止位置。

6.根据权利要求2至3中任一项所述的电路装置(1)，其特征在于，设置与所述分析单元电位分离并且被实施为微控制器的外部控制单元，以产生晶体管(4)的控制电压。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置(1)，其特征在于，为了在到达同步电动机的终止位置时断开所述同步电动机(2)，完全截止晶体管(4)，并且其中中断同步电动机(2)的公共相(11)。

8.一种用于利用前联元件(14)稳定两相同步电动机(2)的电动机最大转矩的电路装置(1)，其中所述前联元件(14)连接在被构造为中性线的第一电力线(12.1)和所述同步电动机(2)的公共相(11)之间，并且被实施为导线的第二电力线(12.2)与所述同步电动机(2)的一相连接，其特征在于，使用晶体管-二极管组合(3)作为电压可变的前联元件(14)，其中为了实现流过所述同步电动机(2)的近似恒定的正弦形交流电压振幅和/或交流电流振幅，针对脉动式电网电压的最大峰值电压设计的、并且被构造为在其工作点可模拟控制的晶体管(4)是非脉冲式场效应晶体管(FET)，并且所述二极管(6)被形成为整流电桥(5)。

9.根据权利要求8所述的电路装置(1)，其特征在于，为了产生场效应晶体管(FET)的内部控制电压U_St，设置内部分析和控制单元(7)，其中

a.所述整流电桥(5)的电压点U+(8)与场效应晶体管(FET)的漏极(4.2)耦合，

b.所述分析和控制单元(7)与场效应晶体管(FET)的源极(4.3)以及所述整流电桥(5)的电压点U-(9)耦合，

c.场效应晶体管(FET)的栅极(4.1)与所述整流电桥(5)的电压点U-(9)耦合。

10.根据权利要求9所述的电路装置(1)，其特征在于，为了产生场效应晶体管(FET)的内部控制电压U_St，所述内部分析和控制单元(7)被构造为能够加载以场效应晶体管(FET)的负载电流。

11.根据权利要求9或10所述的电路装置(1)，其特征在于，使用由源极(4.3)和电压点U-(9)之间的导流电阻上的电压降进行控制的自传导的SFET作为场效应晶体管(FET)。

12.根据权利要求9至10中任一项所述的电路装置(1)，其特征在于，所述分析和控制单元(7)为了电压测量和电压监控的目的而与电动机线圈(2.1)和所述晶体管(4)耦合。

13.根据权利要求12所述的电路装置(1)，其特征在于，使用电压测量和电压监控和/或使用电动机线圈(2.1)上的相位角测量来电气识别同步电动机(2)的终止位置。

14.根据权利要求9至10中任一项所述的电路装置(1)，其特征在于，设置与所述分析单元电位分离并且被实施为微控制器的外部控制单元，以产生晶体管(4)的控制电压。

15.根据权利要求8至10中任一项所述的电路装置(1)，其特征在于，为了在到达同步电动机的终止位置时断开所述同步电动机(2)，完全截止晶体管(4)，并且其中中断同步电动机(2)的公共相(11)。

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