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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben
einer elektrischen Maschine eines Hausgeräts, mit einem mit der elektrischen
Maschine in Reihe geschalteten Schaltelement, welches von einer
Steuer- und/oder Regeleinheit ansteuerbar ist, wobei durch ein Ansteuern
des Schaltelements die elektrische Maschine aufgrund einer an einem
Anschlusspol der elektrischen Maschine anliegenden Betriebsspannung
mit Strom beaufschlagbar ist. Überdies
betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren
zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Hausgeräts.
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Bei
bekannten Schaltungsanordnungen zum Betreiben einer elektrischen
Maschine eines Hausgeräts,
wie beispielsweise einer Waschmaschine, wird die elektrische Maschine üblicherweise
durch Ansteuern eines mit der Maschine in Reihe geschalteten Schaltelements
in Betrieb genommen. Dabei handelt es sich bei dem Schaltelement
in der Regel um einen Transistor, wie beispielsweise um einen Bipolartransistor
mit isolierter Gateelektrode (IGBT), oder um einen Triac. Dabei
erfolgt die Ansteuerung des Schaltelements von einer Steuer- und/oder
Regeleinheit, welche üblicherweise
mit einem Steueranschluss des Schaltelements gekoppelt ist, wobei durch
ein Anlegen einer elektrischen Spannung an dem Steueranschluss das
Schaltelement durchgeschaltet wird. Vorliegend gilt das Interesse
einer bürstenbehafteten
elektrischen Maschine bzw. einem bürstenbehafteten Universalmotor,
bei welcher bzw. bei welchem ein Bürstensystem einschließlich eines Kommutators
sowie mindestens eines Bürstenpaares
vorgesehen ist.
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Bei
den bekannten Schaltungsanordnungen wird die elektrische Maschine üblicherweise
zum Betrieb mit Gleichstrom ausgelegt, wobei die Ansteuerung und/oder
eine Regelung einer Drehzahl der elektrischen Maschine durch eine
von dem Schaltelement bewirkte Pulsweitenmodulation erfolgt. Hierzu sind
die bekannten Schaltungsanordnungen in der Lage, eine Gleichspannung
bzw. eine gleichgerichtete Netzspannung bereitzustellen, und abhängig von einer
Leistungsanforderung der elektrischen Maschine die Pulsweitenmodulation
entsprechend durchzuführen.
Beispielsweise bei einem Versorgungsnetz mit einer Netzspannung
von 230 V beträgt
die für
die Pulsweitenmodulation zur Verfügung stehende, gleichgerichtete
Spannung ca. 210 V. Nun muss die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu
befähigt
sein, das Schaltelement derart anzusteuern, dass die gewünschte Leistung
für die
elektrische Maschine bereitgestellt wird. Ist die Steuer- und/oder
Regeleinheit so ausgelegt, dass 16 Bit während eines Taktes verarbeitet
werden können,
so ist die Anzahl von Zuständen
der auszuführenden
Pulsweitenmodulation durch diese Auslegung der Steuer- und/oder
Regeleinheit entsprechend begrenzt. Dies hat wiederum eine Begrenzung
des Steuerungs- und/oder Regelungsbereichs zur Folge.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung sowie
ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Hausgeräts zu schaffen,
bei welcher und bei welchem eine verbesserte Steuerung und/oder
Regelung der Drehzahl der elektrischen Maschine durch die Pulsweitenmodulation
erzielt wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Schaltungsanordnung sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungen der Erfindung sind
in den abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
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Eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Hausgeräts umfasst
ein mit der elektrischen Maschine in Reihe geschaltetes Schaltelement,
welches von einer Steuer- und/oder Regeleinheit ansteuerbar ist.
Dabei ist die elektrische Maschine durch ein Ansteuern des Schaltelements
aufgrund einer an einem Anschlusspol der elektrischen Maschine anliegenden Betriebsspannung
mit Strom beaufschlagbar. Ein Grundgedanke bei der Schaltungsanordnung
besteht darin, dass ein von der Steuer- und/oder Regeleinheit ansteuerbarer
Spannungswandler mit der elektrischen Maschine gekoppelt ist, welcher
ausgebildet ist, eine an einem Eingang der Schaltungsanordnung anliegende
Netzspannung, mit welcher die Schaltungsanordnung versorgbar ist,
oder eine daraus gewonnene Gleichspannung in die Betriebsspannung zu
wandeln.
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Mit
anderen Worten liegt der Erfindung eine Überlegung zugrunde, dass zum
Verbessern einer Auflösung
einer durch eine Pulsweitenmodulation erreichten Regelung und/oder Steuerung
der Drehzahl der elektrischen Maschine ein von der Steuer- und/oder
Regeleinheit ansteuerbarer Spannungswandler eingesetzt werden kann,
welcher dazu befähigt
ist, eine Netzspannung oder eine gleichgerichtete Spannung durch
eine von der Steuer- und Regeleinheit bewirkte Ansteuerung in die
Betriebsspannung, welche insbesondere von der Netzspannung verschieden
ist, zu wandeln. In vorteilhafter Weise wird durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
erreicht, dass die für
die elektrische Maschine vorgesehene Betriebsspannung abhängig von
Leistungsanforderungen der elektrischen Maschine geregelt werden
kann. Wird die Schaltungsanordnung beispielsweise mit einer Netzspannung
von 230 V betrieben, wodurch eine gleichgerichtete Spannung von
etwa 210 V bereitgestellt wird, so kann die Steuer- und/oder Regeleinheit
den Spannungswandler insbesondere derart ansteuern, dass eine Betriebsspannung
für die
elektrische Maschine von beispielsweise 50 V bereitgestellt wird.
Ist die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu ausgebildet, 16 Bit gleichzeitig
bzw. während
eines Taktes zu verarbeiten, so ergeben sich bei der Pulsweitenmodulation kleinere
bzw. feinere Pulsweitenschritte. Hierdurch wird eine Ausnutzung
des vollen Spannungsbereichs und somit eine bessere Auflösung bei
der Pulsweitenmodulation erzielt.
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Ein
weiterer Vorteil bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht
in einer automatischen bzw. von der Steuer- und/oder Regeleinheit bewirkten
Anpassung der Netzspannung an die Betriebsspannung im Hinblick auf
das Betreiben des Hausgeräts
mit unterschiedlichen Versorgungsnetzen. Durch den von der Steuer-
und/oder Regeleinheit ansteuerbaren Spannungswandler wird somit
ein Betreiben der elektrischen Maschine an verschiedenen Netzspannungen,
wie beispielsweise mit einer Netzspannung von 110 V/60 Hz, 120 V/60
Hz und/oder 220 V/50 Hz, 230 V/50 Hz. So können elektrische Maschinen,
welche für
ein Versorgungsnetz mit einer Netzspannung von 230 V ausgelegt sind, ohne
technische Änderungen
an einem Versorgungsnetz mit einer Netzspannung von 120 V betrieben
werden. Hierdurch wird eine weltweit nutzbare Netzspannungsunabhängigkeit
der Schaltungsanordnung gewährleistet.
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Durch
Einsatz des von der Steuer- und/oder Regeleinheit ansteuerbaren
Spannungswandlers wird des Weiteren im Hinblick auf ein Drehzahlverhalten
der elektrischen Maschine gewährleistet,
dass den durch Schwankungen der Netzspannung bewirkten Drehzahleinbrüchen Rechnung
getragen wird. Hierdurch wird überdies
ein verbessertes Geräuschverhalten
des Hausgeräts
erzielt.
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Bevorzugt
ist die elektrische Maschine als bürstenbehaftete elektrische
Maschine bzw. ein Universalmotor ausgebildet. Insbesondere umfasst
die elektrische Maschine ein Bürstensystem
einschließlich
eines Kommutators sowie mindestens eines Bürstenpaares, wobei die Bürsten vorzugsweise
als Kohlenbürsten
ausgebildet sind. Bei dieser Ausführungsform wird durch Einsatz
des Spannungswandlers bzw. durch die von der Steuer- und/oder Regeleinheit
angesteuerte Wandlung der Netzspannung eine Erhöhung der Lebensdauer des Bürstensystems,
und insbesondere des mindestens einen Bürstenpaares, gewährleistet.
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Unter
dem Begriff Hausgerät
wird hier insbesondere ein Hausgerät zur Pflege von Wäschestücken, wie
eine Waschmaschine, ein Trockner oder ein Waschtrockner verstanden.
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In
einer Ausführungsform
kann vorgesehen sein, dass der Spannungswandler einen Tiefsetzsteller
umfasst. Hierdurch wird erreicht, dass die Netzspannung, und insbesondere
eine gleichgerichtete Spannung, im Hinblick auf eine verbesserte
Auflösung
der Pulsweitenmodulation heruntergesetzt werden kann. Des Weiteren
ermöglicht
diese Ausführungsform
einen Betrieb des Hausgeräts
mit einer Netzspannung von beispielsweise 230 V im Falle, dass die
elektrische Maschine zum Betrieb mit einer Netzspannung von beispielsweise
110 V ausgebildet ist. Somit wird ein verbreitertes Einsatzspektrum
des Hausgeräts
gewährleistet.
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Bevorzugt
umfasst der Spannungswandler einen Hochsetzsteller. Ist der von
der Steuer- und/oder
Regeleinheit ansteuerbare Spannungswandler dazu befähigt, eine
Netzspannung, und insbesondere eine gleichgerichtete Spannung, in
die Betriebsspannung der elektrischen Maschine aufwärts zu wandeln,
so wird hierdurch in vorteilhafter Weise erreicht, dass die elektrische
Maschine, welche beispielsweise zum Betrieb mit einer Betriebsspannung
von 230 V ausgebildet ist, ohne technische Änderung bei einer Netzspannung
von beispielsweise 110 V eingesetzt werden kann. Ein verbreitertes Einsatzspektrum
des Hausgeräts
wird hierdurch erzielt.
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In
bevorzugter Weise weisen der Hoch- und Tiefsetzsteller eine gemeinsame
Induktivität
auf. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Spannungswandler
eine erste Schalteinheit umfasst, welche über die gemeinsame Induktivität mit einer
zweiten Schalteinheit gekoppelt ist, und die erste und die zweite
Schalteinheit von der Steuer- und/oder
Regeleinheit ansteuerbar sind. Durch Einsatz einer gemeinsamen Induktivität, insbesondere
einer Spule, sowohl für
den Tiefsetzsteller als auch für
den Hochsetzsteller kann eine kompakte, bauteilreduzierte sowie
kostenreduzierte Schaltungsanordnung geschaffen werden. Des Weiteren
ist bei dieser Ausführungsform
die erste und die zweite Schalteinheit bevorzugt jeweils mit einem
Anschluss des Eingangs der Schaltungsanordnung verbunden. Insbesondere
ist die erste Schalteinheit einerseits mit einem ersten Anschluss
des Eingangs der Schaltungsanordnung und andererseits über die
gemeinsame Induktivität
mit der zweiten Schalteinheit gekoppelt, wobei die zweite Schalteinheit
insbesondere mit einem ein Bezugspotential darstellenden zweiten
Anschluss des Eingangs der Schaltungsanordnung gekoppelt ist. Die erste
und die zweite Schalteinheit sind in bevorzugter Weise als Transistoren,
und insbesondere als Bipolartransistoren mit isolierten Gateelektroden,
ausgebildet. Durch Einsatz einer elektronischen Schalteinheit, wie
ein Bipolartransistor, werden ein gutes Durchlassverhalten sowie
eine nahezu leistungslose Ansteuerung der ersten und der zweiten
Schalteinheit gewährleistet.
Darüber
hinaus zeichnen sich die elektronischen Schalteinheiten durch verhältnismäßig hohe
Sperrspannung sowie durch hohe Robustheit und Zuverlässigkeit
aus. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite
Schalteinheit jeweils einen Steueranschluss aufweisen, über welchen
die Schalteinheiten von Seiten der Steuer- und/oder Regeleinheit
ansteuerbar sind. Vorzugsweise können
die jeweiligen Steueranschlüsse der
beiden Schalteinheiten über
einen elektronischen Treiber mit der Steuer- und/oder Regeleinheit
gekoppelt sein, wobei der elektronische Treiber bevorzugt dazu befähigt ist,
eine Pegelanpassung einer von der Steuer- und/oder Regeleinheit
stammenden Gleichspannung an eine für die Ansteuerung der beiden Schalteinheiten
vorgesehene Gleichspannung zu bewirken.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass ein zwischen der gemeinsamen Induktivität und der
zweiten Schalteinheit ausgebildeter erster Induktivitätspol über eine
Diode, insbesondere eine Schutzdiode, bevorzugt eine Freilaufdiode,
mit der elektrischen Maschine gekoppelt ist, wobei ein zwischen
der gemeinsamen Induktivität
und der ersten Schalteinheit ausgebildeter zweiter Induktivitätspol bevorzugt über eine
Diode mit einem der zweiten Schalteinheit zugewandten Anschluss
des Eingangs, insbesondere mit einem Bezugspotential, gekoppelt ist.
Dabei ist die Diode in Sperrrichtung geschaltet und dazu ausgebildet,
eine an dem zweiten Induktivitätspol
anliegende Spannung zu begrenzen.
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In
bevorzugter Weise ist die Steuer- und/oder Regeleinheit ausgebildet,
bei einem Hochsetzbetrieb des Spannungswandlers die erste Schalteinheit
zu schließen
bzw. anzusteuern und die zweite Schalteinheit synchron zu der Netzspannung zu
schalten. Wird die erste Schalteinheit von Seiten der Steuer- und/oder
Regeleinheit durchgeschaltet, so ist die gemeinsame Induktivität in Reihe
mit der Freilaufdiode geschaltet, so dass am Ausgang der Freilaufdiode
die Betriebsspannung aufsummiert werden kann. Dabei wird die gemeinsame
Induktivität
insbesondere durch die zweite Schalteinheit gegen das Bezugspotential,
insbesondere gegen Masse, synchron zu der Netzspannung geschaltet.
Hierdurch fällt
an der gemeinsamen Induktivität
die Netzspannung, insbesondere eine gleichgerichtete Spannung, ab,
wobei der durch die gemeinsame Induktivität fließende Strom ansteigt und somit
ein Ansteigen eines magnetischen Felds in der gemeinsamen Induktivität bewirkt.
Wird die zweite Schalteinheit geöffnet
bzw. nicht mehr seitens der Steuer- und/oder Regeleinheit angesteuert,
so steigt die an dem ersten Induktivitätspol anliegende Spannung aufgrund
des magnetischen Felds der gemeinsamen Induktivität an. Wird
die an dem ersten Induktivitätspol
anliegende Spannung größer als
die am Ausgang der Freilaufdiode anliegende Spannung, also die Betriebsspannung,
so öffnet
die Freilaufdiode. Hierdurch wird erreicht, das die Betriebsspannung
stets höher
als die Netzspannung bzw. eine an dem Eingang der Schaltungsanordnung
anliegende gleichgerichtete Spannung ist.
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In
bevorzugter Weise ist die Steuer- und/oder Regeleinheit ausgebildet,
bei einem Tiefsetzbetrieb des Spannungswandlers die zweite Schalteinheit
zu öffnen
und die erste Schalteinheit synchron zu der Netzspannung zu schalten.
Dabei kann die Höhe
der Betriebsspannung insbesondere durch ein geregeltes Hin- und
Herschalten der ersten Schalteinheit eingestellt werden.
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Bevorzugt
ist ein Stützkondensator
parallel zu dem Eingang der Schaltungsanordnung geschaltet. Dabei
ist der Stützkondensator
insbesondere parallel zu der ersten Schalteinheit, der gemeinsamen Induktivität sowie
der zweiten Schalteinheit geschaltet. In bevorzugter Weise kann
vorgesehen sein, dass die Schaltungsanordnung einen Gleichrichter umfasst,
welcher mit dem Eingang gekoppelt und ausgebildet ist, die Netzspannung
gleichzurichten. Bei dieser Ausführungsform
ist bevorzugt vorgesehen, dass der Stützkondensator parallel zu dem Gleichrichter
geschaltet ist. Dabei besitzt der Stützkondensator insbesondere
die Aufgabe, eine mittels des Gleichrichters gleichgerichtete Spannung
zu glätten.
Somit stellt die von dem Stützkondensator bereitgestellte
Spannung eine Eingangsspannung des Spannungswandlers dar.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass ein parallel zu dem Stützkondensator geschalteter
Gleichstromwandler vorgesehen ist, welcher zum Wandeln einer gleichgerichteten
Netzspannung in eine Versorgungsgleichspannung, mit welcher die Steuer-
und/oder Regeleinheit versorgbar ist, ausgebildet ist. Insbesondere
ist der Gleichstromwandler mit einem Versorgungseingang der Steuer-
und/oder Regeleinheit gekoppelt und dazu befähigt, die von dem Gleichrichter
gleichgerichtete und von dem Stützkondensator
bereitgestellte Netzspannung in die für die Steuer- und/oder Regeleinheit
vorgesehene Versorgungsgleichspannung abwärts zu wandeln.
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In
bevorzugter Weise ist ein Zwischenkreiskondensator, welcher zum
Speichern der Betriebsspannung ausgebildet ist, parallel zu der
elektrischen Maschine geschaltet. Bei dieser Ausführungsform
ist bevorzugt vorgesehen, dass der Zwischenkreiskondensator zwischen
dem Anschlusspol der elektrischen Maschine bzw. einem Pol, welcher
an einer die Freilaufdiode des Spannungswandlers mit der elektrischen
Maschine koppelnden Stromleitung ausbildet ist, und dem zweiten
Anschluss des Eingangs, insbesondere dem Bezugspotential, angeordnet
ist. Insbesondere wird an dem Zwischenkreiskondensator eine Ausgangsspannung
des Spannungswandlers bzw. die Betriebsspannung der elektrischen
Maschine bereitgestellt.
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Bevorzugt
ist eine mit der Steuer- und/oder Regeleinheit gekoppelte Spannungserfassungseinheit
zum Erfassen der Betriebsspannung parallel zu dem Zwischenkreiskondensator
geschaltet. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Spannungserfassungseinheit
einen Spannungsteiler umfasst. Der Spannungsteiler kann bevorzugt
einen ersten sowie einen zweiten Widerstand aufweisen, welche über einen
Spannungserfassungspol miteinander gekoppelt sind, wobei der Spannungserfassungspol
bevorzugt mit einem Eingang der Steuer- und/oder Regeleinheit verbunden
ist. Liegt an dem Zwischenkreiskondensator die Betriebsspannung der elektrischen
Maschine bzw. eine Zwischenkreisspannung an, so kann diese durch
den Einsatz des Spannungsteilers erfasst und seitens der Steuer- und/oder
Regeleinheit ausgewertet werden.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung ein Netzfilter (EMV-Filter)
umfasst, welches mit dem Eingang der Schaltungsanordnung gekoppelt
ist. Hierdurch wird erreicht, dass eine Übertragung von Störsignalen
seitens der Schaltungsanordnung, und insbesondere von Seiten der
elektrischen Maschine, in das Versorgungsnetz verhindert wird.
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Bevorzugt
ist ein Stromerfassungswiderstand (Shunt-Widerstand) mit dem Schaltelement
in Reihe geschaltet, welcher zum Erfassen eines über die elektrische Maschine
fließenden
Stroms ausgebildet ist. Dabei kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass
eine den Stromerfassungswiderstand mit der elektrischen Maschine
koppelnde Stromleitung mit einem Stromerfassungseingang der Steuer- und/oder
Regeleinheit verbunden ist. Durch das Erfassen des über die
elektrische Maschine fließenden Stroms
wird eine Regelung eines Drehzahlverhaltens der elektrischen Maschine
ermöglicht
sowie gewährleistet,
dass Betriebszustände
des Hausgeräts,
wie beispielsweise eine Unwucht einer Trommel, ein Beladungszustand
der Trommel und/oder ein Trocknungsgrad der Wäschestücke erkannt werden können.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass ein Temperatursensor dem Schaltelement zugeordnet
ist, welcher zum Erfassen einer Temperatur der elektrischen Maschine
ausgebildet ist. Dabei ist der Temperatursensor vorzugsweise mit
einem Temperaturerfassungseingang der Steuer- und/oder Regeleinheit
gekoppelt. Bevorzugt kann die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu
ausgebildet sein, die an die elektrische Maschine abgegebene Leistung
zu reduzieren im Falle, dass die gemessene Temperatur einen Warnwert
erreicht. Steigt die Temperatur der elektrischen Maschine bis zu
einem Abschaltschwellwert an, so ist die Steuer- und/oder Regeleinheit
bevorzugt dazu ausgelegt, die elektrische Maschine abzuschalten.
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In
bevorzugter Weise ist die Steuer- und/oder Regeleinheit ausgebildet,
ab einem Schwellwert einer Drehzahl der elektrischen Maschine das
Schaltelement zu schließen
bzw. durchzuschalten und die Betriebsspannung bzw. ein Drehzahlverhalten
der elektrischen Maschine mittels der ersten und der zweiten Schalteinheit
zu regeln. Diese Ausführungsform
zeigt sich beispielsweise in einem Schleuderbetrieb einer Waschmaschine
besonders vorteilhaft. Hierdurch wird eine Netzspannungsregelung
der Betriebsspannung bzw. des Drehzahlverhaltens der elektrischen
Maschine gewährleistet.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren wird
eine elektrische Maschine eines Hausgeräts mit Hilfe einer Schaltungsanordnung
betrieben. Dabei wird ein mit der elektrischen Maschine in Reihe
geschaltetes Schaltelement mittels einer Steuer- und/oder Regeleinheit
bedarfsabhängig
angesteuert, wobei durch das Ansteuern des Schaltelements die elektrische
Maschine aufgrund einer an einem Anschlusspol der elektrischen anliegenden
Betriebsspannung mit Strom beaufschlagt wird. Ein Grundgedanke bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
besteht darin, dass eine an einem Eingang der Schaltungsanordnung
anliegende Netzspannung, mit welcher die Schaltungsanordnung versorgt
wird, oder eine daraus gewonnene Gleichspannung mittels eines von
der Steuer- und/oder Regeleinheit ansteuerbaren und mit der elektrischen
Maschine gekoppelten Spannungswandlers in die Betriebsspannung gewandelt
wird.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind
als vorteilhafte Ausführungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnung.
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Die
einzige Figur zeigt eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer
elektrischen Maschine eines Hausgeräts.
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Das
nachstehend näher
geschilderte Beispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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Eine
in der Figur dargestellte Schaltungsanordnung 1 ist zum
Betreiben einer elektrischen Maschine 2, welche im vorliegenden
Beispiel als Universalmotor ausgebildet ist, eines Hausgeräts ausgebildet.
Vorliegend wird unter dem Begriff Hausgerät ein Hausgerät zur Pflege
von Wäschestücken, wie
insbesondere eine Waschmaschine, verstanden.
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Die
Schaltungsanordnung 1 umfasst einen Eingang 3 einschließlich eines
ersten sowie eines zweiten Anschlusses 4, 5. Dabei
kann die Schaltungsanordnung 1 über den Eingang 3 mit
einem Versorgungsnetz gekoppelt werden. Ist die Schaltungsanordnung 1 mit
dem Versorgungsnetz gekoppelt, so liegt zwischen den Anschlüssen 4, 5 des
Eingangs 3 eine Netzspannung an.
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Die
Schaltungsanordnung 1 umfasst ein Netzfilter 6 (EMV-Filter),
welches einerseits mit dem Eingang 3 und andererseits mit
einem Gleichrichter 7 gekoppelt und ausgebildet ist, ein Übertragen
von Störsignalen
(EMV-Störungen)
von Seiten der Schaltungsanordnung 1, und insbesondere
von Seiten der elektrischen Maschine 2 in das Versorgungsnetz
zu verhindern. Der Gleichrichter 7 ist vorliegend als ein Brückengleichrichter
einschließlich
vier Dioden ausgebildet. Dabei besitzt der Gleichrichter 7 die
Aufgabe, die am Eingang 3 der Schaltungsanordnung 1 anliegende
Netzspannung gleich zu richten, und diese gleichgerichtete Spannung
an seinem Ausgang bereitzustellen. Liegt an dem Eingang 3 der
Schaltungsanordnung die Netzspannung an, so liegt an dem Ausgang
des Gleichrichters 7 bzw. zwischen einem ersten Schaltungspol 8 und
einem zweiten Schaltungspol 9 die gleichgerichtete Spannung
an. Vorliegend stellt der zweite Schaltungspol 9 ein Bezugspotential
dar.
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Die
Schaltungsanordnung 1 umfasst ferner einen Stützkondensator 10,
welcher parallel zu dem Gleichrichter 7 geschaltet ist,
und über
welchen der erste Schaltungspol 8 mit dem zweiten Schaltungspol 9,
vorliegend mit dem Bezugspotential, gekoppelt ist. Der Stützkondensator 10 hat
dabei die Aufgabe, die gleichgerichtete Spannung, welche zwischen dem
ersten und dem zweiten Schaltungspol 8, 9 liegt, zu
glätten.
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Parallel
zu dem Stützkondensator 10 ist
ein Gleichstromwandler 11 geschaltet, welcher dazu befähigt ist,
die gleichgerichtete Spannung in eine Versorgungsgleichspannung
zum Versorgen einer Steuer- und/oder Regeleinheit 12 zu
wandeln. Im vorliegenden Beispiel ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 12 als
Mikroprozessor ausgebildet.
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An
dieser Stelle sei erwähnt,
dass die elektrische Maschine 2 einen ersten Anschlusspol 13 sowie einen
zweiten Anschlusspol 14 umfasst, wobei der zweite Anschlusspol 14 der
elektrischen Maschine 2 über ein Schaltelement 15,
welches im vorliegenden Beispiel als ein Transistor, insbesondere
ein Bipolartransistor mit einer isolierten Gateelektrode, ausgebildet
ist, sowie über
einen Stromerfassungswiderstand 16 mit dem zweiten Schaltungspol 9 bzw.
mit dem Bezugspotential gekoppelt ist. Dabei ist ein Steueranschluss 17,
insbesondere die isolierte Gateelektrode, des Schaltelements 15 über einen
elektronischen Treiber 18 mit einem Steuerausgang 19 der Steuer-
und/oder Regeleinheit 12 gekoppelt. Hierdurch kann das
Schaltelement 15 von Seiten der Steuer- und/oder Regeleinheit 12 angesteuert
werden. Dabei besitzt der elektronische Treiber 18 die Aufgabe
einer Pegelanpassung einer von der Steuer- und/oder Regeleinheit 12 stammenden
Spannung an eine für
das Ansteuern des Schaltelements 15 vorgesehene Spannung.
Ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 12 beispielsweise
in der Lage, an dem Steuerausgang 9, 10 eine Spannung
von 5 V bereitzustellen, so wird an dem Steueranschluss 17 des
Schaltelements 15 eine Spannung von beispielsweise 15 V seitens
des elektronischen Treibers 18 bereitgestellt.
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Die
als Universalmotor ausgebildete elektrische Maschine 2 weist
einen ersten sowie einen zweiten Schalter 20, 21 auf,
welche beispielsweise als Relais ausgebildet sein können, und
welche mit der Steuer- und/oder Regeleinheit 12 gekoppelt
und von dieser ansteuerbar sind. Der erste Schalter 20 ist vorliegend
dem ersten Anschlusspol 13 der elektrischen Maschine zugeordnet,
wobei der zweite Schalter 21 dem zweiten Anschlusspol 14 der
elektrischen Maschine zugeordnet ist. Dabei wird durch Einsatz des
ersten und des zweiten Schalters 20, 21 eine Möglichkeit
eingeräumt,
eine Drehrichtung eines Rotors der elektrischen Maschine 2 zu ändern.
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Der
erste Anschlusspol 13 der elektrischen Maschine 2 ist über einen
Zwischenkreiskondensator 22 mit dem zweiten Schaltungspol 9 bzw.
mit dem Bezugspotential gekoppelt. Liegt zwischen dem ersten Anschlusspol 13 der
elektrischen Maschine 2 und dem Bezugspotential 9 bzw.
an dem Zwischenkreiskondensator 22 eine Betriebsspannung
an, so kann die elektrische Maschine 2 durch eine Ansteuerung des
Schaltelements 15 in Betrieb genommen werden. Wird das
Schaltelement 15 von Seiten der Steuer- und/oder Regeleinheit 12 angesteuert,
so fließt über die
elektrische Maschine 2 aufgrund der Betriebsspannung Strom.
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Um
eine Wandlung der Netzspannung, insbesondere der von dem Stützkondensator 10 bereitgestellten
gleichgerichteten Spannung, in die für den Betrieb der elektrischen Maschine 2 spezifische
Betriebsspannung zu gewährleisten,
umfasst die Schaltungsanordnung 1 vorliegend einen von
der Steuer- und/oder Regeleinheit 12 ansteuerbaren Spannungswandler 23.
Dabei umfasst der Spannungswandler 23 im vorliegenden Beispiel
einen Hoch- und Tiefsetzsteller mit einer gemeinsamen Induktivität 24, beispielsweise
einer Spule. Hierdurch ist der Spannungswandler 23 in der
Lage, die an dem Stützkondensator 10 bereitgestellte
gleichgerichtete Spannung in die Betriebsspannung der elektrischen
Maschine 2 abwärts
sowie aufwärts
zu wandeln.
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Vorliegend
umfasst der Spannungswandler 23 eine erste Schalteinheit 25,
welche über
die gemeinsame Induktivität 24 mit
einer zweiten Schalteinheit 26 gekoppelt ist. Die erste
Schalteinheit 25 ist einerseits mit dem ersten Schaltungspol 8 und
somit mit dem ersten Anschluss des Eingangs 3 und andererseits
mit der gemeinsamen Induktivität 24 gekoppelt. Überdies
ist die zweite Schalteinheit 26 einerseits mit der gemeinsamen
Induktivität 24 und
andererseits mit dem zweiten Schaltungspol 9 bzw. dem Bezugspotential
gekoppelt. Die erste und die zweite Schalteinheit 25, 26 sind
vorliegend von der Steuer- und/oder Regeleinheit 12 ansteuerbar.
Hierzu ist jeweils ein Steuerausgang 27, 28 der
Steuer- und/oder Regeleinheit 12 mit jeweils einem Steueranschluss 29, 30 der
ersten und der zweiten Schalteinheit 25, 26 gekoppelt. Überdies
ist der ersten und der zweiten Schalteinheit 25, 26 jeweils
ein elektronischer Treiber 31, 32 zugeordnet,
welcher die Aufgabe der Pegelanpassung bei Ansteuerung der entsprechenden Schalteinheit 25, 26 besitzt.
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Zwischen
der gemeinsamen Induktivität 24 und
der zweiten Schalteinheit 26 ist ein erster Induktivitätspol 33 ausgebildet,
welcher über
eine Freilaufdiode 34 mit dem ersten Anschlusspol 13 der
elektrischen Maschine 2 gekoppelt ist. Überdies ist zwischen der Gemeinsamen
Induktivität 24 und
der ersten Schalteinheit 25 ein zweiter Induktivitätspol 35 ausgebildet,
welcher über
eine Diode 36, welche in Sperreichung geschaltet ist, mit
dem Bezugspotential 9 gekoppelt ist.
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Die
Schaltungsanordnung 1 weist ferner eine Spannungserfassungseinheit 37 auf,
welche parallel zu dem Zwischenkreiskondensator 22 geschaltet
und mit der Steuer- und/oder Regeleinheit 12 gekoppelt ist.
Die Spannungserfassungseinheit 37 ist zum Erfassen der
Betriebsspannung der elektrischen Maschine 2 bzw. einer
Zwischenkreisspannung ausgebildet. Hierzu ist die Spannungserfassungseinheit 37 als
ein Spannungsteiler ausgebildet und umfasst einen ersten sowie einen
zweiten Ohmschen Widerstand 38, 39, zwischen welchen
ein Spannungserfassungspol 40 ausgebildet ist. Dabei ist
der Spannungserfassungspol 40 mit einem Spannungserfassungseingang 41 der
Steuer- und/oder
Regeleinheit 12 verbunden. Somit ist die Steuer- und/oder
Regeleinheit 12 in der Lage, die Betriebsspannung der elektrischen
Maschine 2 zu erfassen und auszuwerten. Dies kann beispielsweise
eine Grundlage für eine
Regelung eines Drehzahlverhaltens der elektrischen Maschine 2 darstellen.
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Im
vorliegenden Beispiel ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 12 ausgebildet,
in einem Hochsetzbetrieb des Spannungswandlers 23 die erste
Schalteinheit 25 zu schließen bzw. durchzuschalten bzw.
kontinuierlich anzusteuern, und die zweite Schalteinheit 26 synchron
zu der Netzspannung zu schalten. Befindet sich dabei die zweite
Schalteinheit 26 in ihrem offenen Schaltzustand, so ist
die gemeinsame Induktivität 24 über den
ersten Induktivitätspol 33 mit
der Freilaufdiode 34 in Reihe geschaltet, wobei der Zwischenkreiskondensator 22 eine
Ausgangsspannung des Spannungswandlers 23 bzw. die Betriebsspannung
aufsummiert. Wird die zweite Schalteinheit 26 angesteuert,
so wird die gemeinsame Induktivität 24 über die
zweite Schalteinheit 26 gegen das Bezugspotential 9 geschaltet.
An der gemeinsamen Induktivität 24 fällt in diesem
Falle die an dem Stützkondensator 10 anliegende
gleichgerichtete Spannung ab. Hierdurch steigt der über die
gemeinsame Induktivität 24 fließende Strom
und somit ein magnetisches Feld der gemeinsamen Induktivität 24 an.
Wird die zweite Schalteinheit 26 nicht mehr angesteuert
bzw. in ihren offenen Schaltzustand gebracht, so ist die gemeinsame
Induktivität 24 aufgrund
des magnetischen Felds in der Lage, den Stromfluss aufrecht zu erhalten.
Somit steigt die an dem ersten Induktivitätspol 33 anliegende
Spannung an, so dass die Freilaufdiode 34 öffnet. Durch
das magnetische Feld wird somit erreicht, dass die an dem Zwischenkreiskondensator 22 anliegende
Betriebsspannung stets größer als
die an dem Stützkondensator 10 bereitgestellte
gleichgerichtete Spannung ist.
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In
einem Tiefsetzbetrieb ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 12 dazu
befähigt,
die zweite Schalteinheit 26 zu öffnen bzw. nicht anzusteuern und
die erste Schalteinheit 25 synchron zu der Netzspannung
zu schalten. Dabei kann die Höhe
der Betriebsspannung der elektrischen Maschine 2 durch ein
geregeltes Hin- und Herschalten der ersten Schalteinheit 25 je
nach Leistungsanforderung eingestellt werden.
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Durch
den Einsatz des von der Steuer- und/oder Regeleinheit 12 ansteuerbaren
Spannungswandlers 23 wird erreicht, dass die elektrische Maschine 2 ohne
technische Änderungen
an grundverschiedenen Netzen, beispielsweise 120 V und 230 V, betrieben
werden kann. Dies kann durch den Tief- und Hochsetzsteller mit der
gemeinsamen Induktivität 24 erzielt
werden. Des Weiteren bietet die Schaltungsanordnung 1 Vorteile
im Hinblick auf eine Regelung und/oder Steuerung eines Drehzahlverhaltens
der elektrischen Maschine 2. Wie bereits erwähnt, wird
die elektrische Maschine 2 durch eine Ansteuerung des mit
der elektrischen Maschine 2 in Reihe geschalteten Schaltelements 15 in
Betrieb genommen. Dabei erfolgt die Ansteuerung der elektrischen
Maschine 2 mittels einer Pulsweitenmodulation, so dass
die elektrische Maschine 2 mit Stromimpulsen beaufschlagt
wird. Liegt an dem Eingang 3 der Schaltungsanordnung 1 eine
Wechselspannung von 230 V an, so steht eine an dem Stützkondensator 10 anliegende
gleichgerichtete Spannung von 210 V zur Verfügung. Ist die Steuer- und/oder
Regeleinheit 12 nun in der Lage, beispielsweise 16 Bit
gleichzeitig zu verarbeiten, so ergibt sich entsprechend eine begrenzte
Anzahl von Zuständen
der Pulsweitenmodulation bei Ansteuerung des Schaltelements 15 und somit
der elektrischen Maschine 2. Hierzu zeigt sich der von
der Steuer- und/oder Regeleinheit 12 ansteuerbare Spannungswandler 23 besonders
vorteilhaft. So kann nämlich
die gleichgerichtete Spannung von 210 V in eine an dem ersten Anschlusspol 13 der elektrischen
Maschine 2 anliegende Betriebsspannung von beispielsweise
40 V heruntergewandelt werden, wodurch sich im Hinblick auf eine
verbesserte Auflösung
der Pulsweitenmodulation feinere bzw. kleinere Pulsweitenschritte
ergeben. Somit wird in vorteilhafter Weise eine geregelte Zwischenkreisspannung
bzw. eine geregelte Betriebsspannung für die elektrische Maschine 2 gewährleistet.
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Im
vorliegenden Beispiel ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 12 ferner
dazu ausgebildet, ab einer bestimmten Drehzahl der elektrischen
Maschine 2 das Schaltelement 15 zu schließen bzw.
kontinuierlich anzusteuern und die Betriebsspannung der elektrischen
Maschine mittels der ersten und der zweiten Schalteinheit zu regeln.
Insbesondere bei einem Schleuderbetrieb einer Waschmaschine, bei welchem
die elektrische Maschine 2 mit einer verhältnismäßig hohen
Drehzahl betrieben wird, kann das Drehzahlverhalten der elektrischen
Maschine 2 ausschließlich
mittels des Spannungswandlers 23 geregelt werden.
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Die
Schaltungsanordnung 1 umfasst ferner eine Kommunikationsschnittstelle 42,
welche mit der Steuer- und/oder Regeleinheit 12 gekoppelt
und dazu ausgelegt ist, mit einer Hauptsteuereinheit des Hausgeräts zu kommunizieren.
Dabei erfolgt die Kommunikation in beiden Richtungen. So kann beispielsweise
die Steuer- und/oder Regeleinheit 12 dazu befähigt sein,
einen Befehl von der Hauptsteuereinheit zu empfangen, diesen Befehl
auszuwerten, und aufgrund dieser Auswertung eine dem Befehl zugeordnete
Aktion durchzuführen.
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Überdies
umfasst die Schaltungsanordnung 1 einen dem Schaltelement 15 zugeordneten
Temperatursensor 43, welcher mittels einer Stromleitung 44 mit
einem Temperaturerfassungseingang 45 der Steuer- und/oder
Regeleinheit 12 gekoppelt ist. Der Temperatursensor 43 besitzt
vorliegend die Aufgabe, eine Temperatur der elektrischen Maschine 2 zu
erfassen. Im vorliegenden Beispiel ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 12 derart
ausgebildet, dass die an die elektrische Maschine 2 abgegebene
Leistung reduziert wird, wenn die Temperatur einen Warnwert überschreitet.
Wird ferner ein Abschaltschwellwert der Temperatur überschritten,
so schaltet die Steuer- und/oder Regeleinheit 12 die elektrische
Maschine 2 ab. Hierdurch wird ein sicheres Betreiben des
Hausgeräts
gewährleistet.
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Ferner
ist bei der Schaltungsanordnung 1 eine Sammelfehlerstelle 46 vorgesehen,
welche mit der Steuer- und/oder Regeleinheit 12 kommuniziert. Hierzu
ist die Sammelfehlerstelle 46 mit einem Sammelfehlereingang 47 der
Steuer- und/oder Regeleinheit 12 gekoppelt. Überdies
ist die den Stromerfassungswiderstand 16 mit dem Schaltelement 15 koppelnde
Stromleitung mit einem Eingang 48 der Sammelfehlerstelle 46 gekoppelt.
Dabei hat die Sammelfehlerstelle die Aufgabe, Fehlerzustände, welche
beispielsweise beim Auswerten eines Motorstromverlaufs festgestellt
werden, zu registrieren. So kann beispielsweise eine Übertemperatur
der elektrischen Maschine, eine Überspannung
und/oder ein Überstrom
erkannt und mittels der Sammelfehlerstelle erfasst und ausgewertet
werden. Alle Fehlerzustände bzw.
Fehlerinformationen werden dann an die Steuer- und/oder Regeleinheit 12 übermittelt.