CN107636920A - 超温保护 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于防止EC电动机(M)的定子绕组(U,V,W)过热的保护电路(1)，所述定子绕组连接半导体输出级(2)，所述保护电路被配置为通过电子换向控制器的驱动电路(7)对所述电动机(M)的定子绕组(U,V,W)实施错时控制，以达到产生旋转磁场这一目的，其特征在于，所述保护电路(1)配置有两个冗余传感器回路(10,20)，其中在所述第一传感器回路(10)中设有两个串联的电阻依赖型传感元件(11,12)，并且在所述第二传感器回路(20)中设有电阻依赖型传感元件(21)，其中所述第一和第二传感器回路(10)各连接两个彼此分离的评估电路(30,31)或(40,41)，当达到所述传感器回路分别所对应的传感元件(11,12)或(21)的系统特定极限电阻值时，所述评估电路优选触发关断构件将所述驱动电路(7)断开，以便使所述电动机(M)的定子绕组(U,V,W)断电。

Description

超温保护

技术领域

本发明涉及一种用于防止设备、特别是电动机发生热过载的保护电路。

背景技术

由现有技术已知，为了防止电动机热过载，除了使用根据电动机的电流消耗来识别电动机热过载的过载继电器外，例如还使用检测并评估电动机绕组温度的热敏电阻保护电路。其中，使用各种温度检测元件来检测电动机绕组的温度，例如温度传感器，特别是电阻变化与检测到的温度有关的PTC热敏电阻(PTC:positive temperature coefficient，正温度系数)、PTIOO传感器和KTY传感器(具有PTC特性)。现有技术中利用PTC传感器来实现超温保护的已知解决方案的工作方式基于以下原理：使用两个与温度相关的电阻范围。在电动机绕组处于没有问题的温度范围期间，这样一个温度检测元件的电阻处于第一电阻范围。在此情况下，电阻值例如大于第一电阻范围的电阻值的第二电阻范围则对应于超过系统特定阈值的温度。

此外，也可以将所谓的Thermoclick元件(Thermo-Click-Element)用作温度检测元件，Thermoclick元件又称温度监测器。Thermoclick元件通常是简易开关，一般是借助在第一温度范围内闭合并且在第二温度范围内(即超过温度阈值时)断开的双金属构建而成。也就是说，电阻在接近于0Ω到无穷大的范围内变化。

第一类温度检测元件(即温度传感器)是通过温度检测元件在预定义值域内的电阻变化来评估电动机的过载。而在Thermoclick元件的一般应用领域，Thermoclick元件会在达到温度阈值时切断通过电动机绕组的回路。对于温度传感器的评估则是借助保护电路而实现，保护电路实质上测定相关温度检测元件的电阻并且向开关、评估电路或类似元件输出指示信号，借此在根据测得温度识别到热过载时，例如触发设备的关断或启动其他的预设功能。其中，当绕组电流较大时，传感元件或温度监测器并非直接对绕组电流实施操作，而是对功率输出级的供电或控制施加影响。

由EP 2535993 A1已知一种用于电子换向无刷直流电动机(即半导体输出级在供电直流电压上的EC电动机)的控制电路，该控制电路由电子换向控制器通过驱动级加以控制，以便对电动机的定子绕组实施错时控制(zeitlich versetztes Ansteuern)，进而达到根据转子的旋转位置来为转子产生旋转磁场这一目的。

根据现行的国家标准和国际标准的规定，这类EC电动机运行异常时必须为其提供过热保护。

此外，还已知将电动机实施为阻抗保护，意即，绕组电阻和线径都采用运行异常时不会发生过热的尺寸。然而，特别是包含单齿绕组的EC电动机，由于绕组电阻太小而无法采用阻抗保护的实施方式。

因此，以往是在换向控制器中整合软件限流器，该软件限流器通过软件来规定起动电流的下阈值和工作电流的上阈值。当在起动阶段达到或超过下阈值时，关断电动机。但若电动机正确起动，就转而在上阈值方面监测工作电流，当达到或超过上阈值时，关断电动机。

然而，某些认证机构如UL(Underwriters Laboratories，美国保险商实验室)在根据现行的UL标准进行合格认证检验时，不会考虑为这类单纯通过软件而实现的保护措施颁发所需认证标志。

另外还存在着实际操作时由于快速升温而需要考虑的问题。举例来说，电动机转子堵转时，根据具体的绕组设计，就有可能导致绕组温度快速升高。其结果是绕组达到不允许的高温，而由于温度监测器的迟钝，即响应过慢，不能及时触发绕组馈电的切断。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种如前所述的同类型控制电路，这种控制电路能确保更高的运行安全性以免电动机过热，尤其能可靠防止前述的动态短时过载/过热所造成的损坏。此外，本发明的目的还在于可靠地防止电子功率设备的功率部分在转子堵转时过载或受损，尤其要确保功率输出级的功率开关的(静态)负载不会达到不允许的强度。这一目的须在以下背景下达成，即，电动机控制符合相关的电气安全/过载保护标准。

因此，本发明提出一种用于防止EC电动机的定子绕组(U,V,W)过热的保护电路，所述定子绕组优选连接半导体输出级，所述保护电路被配置为通过电子换向控制器的驱动电路对所述EC电动机的定子绕组(U,V,W)实施错时控制，以达到产生旋转磁场这一目的，其中所述保护电路配置有两个冗余传感器回路，其中在第一传感器回路中设有两个串联的电阻依赖型传感元件，并且在第二传感器回路中优选设有电阻依赖型传感元件。

根据本发明，所述第一和第二传感器回路各连接两个彼此分离的评估电路，当达到所述传感器回路分别所对应的传感元件的系统特定极限电阻值(Grenz-Widerstandswert)时，所述评估电路分别优选触发关断构件来中止所述驱动电路为所述电动机的定子绕组(U,V,W)供电。

优选地，进一步设有两个彼此去耦的限流电路，以免所述电动机升温过快，所述限流电路被配置为借助分流电阻来测量电流，其中在超过系统特定极限值时，将所述评估电路断开或者说对所述评估电路的关断构件进行控制，其中优选地，所述两个评估电路中各有至少一个评估电路具有用于中止所述驱动电路为所述电动机的定子绕组(U,V,W)提供驱动电流的关断构件。

也就是说，借助两个彼此分离的切换回路(Schaltungskreis)(传感器回路)确保对电动机的热保护，其中第一传感器回路优选具有两个在关断温度范围内电阻陡升的串联PTC，或者替代性地具有两个串联的温度监测器。第二传感器回路包括特性曲线呈近似线性的PTC，该PTC除超温保护外还适于直接或间接地测量被监测绕组的温度。

这两个切换回路的所有元件都优选被配置为符合相关标准的核准部件。

借助上述两个彼此分离且完全去耦的评估电路对第一传感器回路进行评估。当达到硬件方面所规定的极限电阻值时实施触发，如果使用的是PTC，则该极限电阻值位于传感器特性曲线的剧烈上升的电阻曲线区域并且在考虑其公差的情况下明确对应一定义温度(或者说，在考虑公差的情况下明确对应一定义温度范围)。在使用温度监测器的情况下，为了分断触点，同样可以代表性地定义一电阻值，下游评估电路在达到该电阻值时响应。

对第二PTC传感器回路的评估同样是通过两个彼此分离且完全去耦的评估电路而实现。此处也是在达到硬件方面所规定的电阻值时实施触发，该电阻值由传感器特性曲线定义并且以规定公差明确地对应一关断温度(或者说，在考虑公差的情况下明确对应一温度范围)。

在本发明的优选实施方式中，每个所述传感器回路的两个评估电路中的一者分别连接第一关断晶体管，借助所述第一关断晶体管可触发换向关断(Kommutierungsabschaltung)。进一步优选地，每个所述传感器回路的两个评估电路中的另一个评估电路分别连接第二关断晶体管，借助所述第二关断晶体管可触发换向关断。

两个传感器回路(切换回路)以其触发电路彼此去耦地对两个关断晶体管产生作用，而两个关断晶体管在超过绕组的规定最大温度值时中止驱动电路的供电。

在本发明的改进方案中，可进一步设置如下：为了避免电动机升温过快(这种情况可能无法被电动机的热保护电路及时检测到)以及为了防止出现大的电动机电流(这种情况可能会导致电子功率设备失效)，借助分流电阻测量输出级电流并且借助两个彼此分离且完全去耦的限流电路对输出级电流进行评估。当超过硬件方面所规定的电流极限值时，评估电路或可由评估电路激活的关断构件关断换向，并且只有在停滞时间较长的情况下才重新接通换向。在此，优选以借助传感器回路的热保护电路的关断晶体管来中止驱动电流供应的方式实现换向关断。

通过重新接通驱动电路之前较长的停滞时间，可以使中等强度的输出级电流或电动机电流保持在就输出级负载能力而言、特别是对于转子堵转而言的非临界水平上。

因此，本发明对上述保护电路作出如下改进：进一步设有两个彼此去耦的限流电路，以免所述电动机升温过快，所述限流电路被配置为借助分流电阻来测量电流，其中在超过系统特定极限值时，所述驱动电路中止为所述电动机的定子绕组(U,V,W)提供驱动电流。在所述保护电路的优选技术方案中，所述限流电路中的一者连接所述第一关断晶体管的基极(或栅极)，以便在不受所述评估电路影响的情况下对这个关断晶体管进行控制。

进一步有利地，所述限流电路连接所述第二关断晶体管的基极(或栅极)，以便在不受所述评估电路影响的情况下对这个关断晶体管进行控制。作为替代方案，所述第二限流电路也可直接连接所述驱动电路，以便直接断开所述驱动电路的驱动级。

在所述保护电路同样优选的技术方案中，所述第一传感器回路中的电阻依赖型传感元件可被设置为优选具有陡电阻特性曲线的PTC电阻或温度监测器，并且所述第二传感器回路中的电阻依赖型传感元件可以是电阻特性曲线实质上呈线性的PTC电阻。

在本发明的改进方案中，可设置如下以实现冗余：借助测量电路测量中间电路电流，并且在超过规定阈值时，切断中间电路电流，并且只有在停滞时间较长的情况下才重新接通中间电路电流。通过重新接通驱动电路之前或切断中间电路电流之前的较长的停滞时间，可以使中等强度的输出级电流或电动机电流保持在就输出级负载能力而言(特别是对于转子堵转而言)的非临界水平上。所述保护电路的这项技术方案具有以下附加优点：当功率输出级中额外出错时(例如输出级的开关失灵)，绕组电流被限制在低于允许的电动机标称电流的值上，从而避免绕组过热。

特别有利的技术方案是，所述用于测量所述EC电动机的中间电路的中间电路电流的测量电路连接IGBT晶体管的栅极，以便在超过规定电流值时阻断所述IGBT晶体管的控制路径(Steuerstrecke)，优选是发射极-集电极路径(Emitter-Kollektorstrecke)。

本发明的另一方面涉及一种使用前述保护电路来防止EC电动机(M)的定子绕组(U,V,W)过热的方法，其中在达到所述传感器回路的其中一个传感元件的系统特定极限值或者在超过允许的中间电路电流时，中止电流通过所述电动机(M)的定子绕组(U,V,W)，或者，关断构件直接断开中间电路并且在足够长的停滞时间后视情况重新接通中间电路。

关于本发明其他有利改进方案的特征请参阅从属权利要求，下面参照附图并结合本发明的优选实施方案予以详细说明。

附图说明

其中：

图1为本发明的保护电路的第一实施方式；

图2为本发明的保护电路的第二实施方式；及

图3为本发明的保护电路的第三实施方式。

具体实施方式

图1至图3示出本发明的保护电路的不同实施方式，其中相同的附图标记指向相同的结构特征或功能特征。

图1示出本发明的保护电路1的第一实施方式，该保护电路用于防止EC电动机M的定子绕组U、V、W过热，所述定子绕组连接半导体输出级2，所述保护电路被配置为通过电子换向控制器的驱动电路7对电动机M的定子绕组U、V、W实施错时控制，以达到产生旋转磁场这一目的。

保护电路1配置有两个冗余传感器回路10、20。在第一传感器回路10中设有两个串联的电阻依赖型传感元件11、12，也就是两个PTC电阻。在第二传感器回路20中同样设有电阻依赖型传感元件21，也就是电阻特性曲线实质上呈线性的PTC电阻。第一传感器回路中的电阻依赖型传感元件11、12是具有陡电阻特性曲线的PTC电阻。两个传感器回路10、20各连接两个彼此分离的评估电路30、31或40、41，当达到传感器回路10或20分别所对应的传感元件11、12或21的系统特定极限电阻值时，这些评估电路触发关断构件来中止驱动电路7为电动机M的定子绕组U、V、W供电。

如图1所示，进一步设有两个彼此去耦的限流电路8、9，以免电动机升温过快，所述限流电路被配置为借助分流电阻S来测量电流，其中在超过系统特定极限值时，对关断构件T1或T2进行控制或者说将其断开。

如附图进一步所示，限流电路8连接关断晶体管T1的基极B(或栅极)，以便在不受评估电路对PTC电阻所实施的温度评估影响的情况下对关断晶体管T1进行控制。

此外，在本实施例中，限流电路9连接关断晶体管T2的基极B或栅极，以便在不受评估电路31、41对PTC电阻21所实施的温度评估影响的情况下对关断晶体管T2进行控制。

评估电路30、31、40、41分别与用于中止驱动电路7为电动机M的定子绕组U、V、W提供驱动电流的关断晶体管T1、T2连接，也就是说，两个评估电路30、40与能够触发换向关断的关断晶体管T1连接，而评估电路31、41与能够触发换向关断的关断晶体管T2连接。

图2示出本发明的保护电路1的第二实施方式，该实施方式与第一实施方式的区别在于，限流电路9不连接关断晶体管T2的基极B或栅极，而是直接连接驱动电路7，以便直接断开驱动级7a。

图3示出本发明的保护电路的第三实施方式。这个保护电路1不具有第二限流电路9，而是具有测量电路50，该测量电路用于测量EC电动机M的中间电路的中间电路电流Iz。保护电路50连接IGBT晶体管51的栅极G，以便在超过规定电流值时阻断IGBT晶体管50的发射极-集电极路径。这种实施方式具有以下附加优点：当功率输出级中出错时，绕组电流被限制在低于允许的电动机标称电流的值上，从而避免绕组过热。

如图1至图3所示，具有评估电路30、31、40、41的传感器回路以及具有限流电路(Strombegrenzungsschaltung)8、9的限流回路(Strombegrenzungskreis)通过二极管而实现电流方向方面的定向(stromrichtungsseitig gerichtet)。

本发明的实施范围不限于前述优选实施例。凡是运用图示解决方案的技术变体，即便以完全不同的方式进行实施，也落入本发明的范围。

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Claims (11)

1.一种用于防止EC电动机(M)的定子绕组(U,V,W)过热的保护电路(1)，所述定子绕组连接半导体输出级(2)，所述保护电路被配置为通过电子换向控制器的驱动电路(7)对所述电动机(M)的定子绕组(U,V,W)实施错时控制，以达到产生旋转磁场这一目的，其特征在于，所述保护电路(1)配置有两个冗余传感器回路(10,20)，其中在所述第一传感器回路(10)中设有两个串联的电阻依赖型传感元件(11,12)，并且在所述第二传感器回路(20)中设有电阻依赖型传感元件(21)，其中所述第一和第二传感器回路(10)各连接两个彼此分离的评估电路(30,31)或(40,41)，当达到所述传感器回路分别所对应的传感元件(11,12)或(21)的系统特定极限电阻值时，所述评估电路优选触发关断构件将所述驱动电路(7)断开，以便使所述电动机(M)的定子绕组(U,V,W)断电。

2.根据权利要求1所述的保护电路(1)，其特征在于，进一步设有两个彼此去耦的限流电路(8,9)，以免所述电动机升温过快，所述限流电路被配置为借助分流电阻来测量电流，其中在超过系统特定极限值时，借助关断构件中止所述驱动电路的供电，以便使所述电动机(M)的定子绕组(U,V,W)断电。

3.根据权利要求2所述的保护电路(1)，其特征在于，所述两个评估电路(30,31,40,41)中各有至少一个评估电路具有用于中止所述驱动电路(7)提供驱动电流的关断构件，以便使所述电动机(M)的定子绕组(U,V,W)断电。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的保护电路(1)，其特征在于，所述两个评估电路(30,40)连接关断晶体管(T1)，借助所述关断晶体管触发或可触发换向关断。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的保护电路(1)，其特征在于，所述评估电路(31,41)连接关断晶体管(T2)，借助所述关断晶体管触发或可触发换向关断。

6.根据权利要求5所述的保护电路(1)，其特征在于，所述限流电路(8)连接所述关断晶体管(T1)的基极(B)，以便在不受所述评估电路(30,40)影响的情况下对所述关断晶体管(T1)进行控制。

7.根据权利要求5或6所述的保护电路(1)，其特征在于，所述限流电路(9)要么连接所述关断晶体管(T2)的基极(B)，以便在不受所述评估电路(31,41)影响的情况下对所述关断晶体管(T2)进行控制，要么直接连接所述驱动电路(7)，以便直接断开驱动级(7a)。

8.根据上述权利要求1至7中任一项所述的保护电路(1)，其特征在于，所述第一传感器回路(10)中的电阻依赖型传感元件(11,12)是优选具有陡电阻特性曲线的PTC电阻或温度监测器。

9.根据上述权利要求1至8中任一项所述的保护电路(1)，其特征在于，所述第二传感器回路(20)中的电阻依赖型传感元件(21)是电阻特性曲线实质上呈线性的PTC电阻。

10.根据上述权利要求1至9中任一项所述的保护电路(1)，其特征在于，设置用于测量所述EC电动机的中间电路的中间电路电流(Iz)的测量电路(50)，所述测量电路优选连接IGBT晶体管(51)的栅极(G)，以便在超过规定电流值时阻断所述IGBT晶体管(51)的控制路径，优选是发射极-集电极路径。

11.一种使用根据权利要求1至10中任一项所述的保护电路来防止EC电动机(M)的定子绕组(U,V,W)过热的方法，其中在达到所述传感元件(11,12)或(21)中的一者的系统特定极限值或者在超过允许的中间电路电流时，中止为所述电动机(M)的定子绕组(U,V,W)供电，或者，关断构件断开或切断中间电路。