DE102009003599B4

DE102009003599B4 - Schaltung zur Drehzahlregelung eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102009003599B4
Application number: DE102009003599.0A
Authority: DE
Inventors: Günter Bouwer
Original assignee: IHV - ELEKTROTECHNIK GmbH; IHV ELEKTROTECHNIK GmbH
Current assignee: VRIELMANN GMBH, DE
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2029-03-11
Also published as: DE102009003599A1

Abstract

Elektronische Schaltung zur Drehzahlregelung eines Elektromotors,mit zwei Netzanschlüssen (N1, N2) zur Energieversorgung der Schaltung aus einem Wechselspannungsnetz,und mit Motoranschlüssen (M1, M2) zur Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Energie,und mit einem Pulsweitenmodulator (PWM) und zugehörigen PWM-Transistor (T1, T2) zur Erzeugung pulsweitenmodulierter Signale,wobei die Schaltung (1) aufweist:■ gleichartige, symmetrische Schaltungsabschnitte, durch welche die vom Wechselspannungsnetz in die Schaltung fließenden positiven und negativen Halbwellen des Wechselstroms hindurch leitbar sind,■ jeder Schaltungsabschnitt jeweils einen Pulsweitenmodulator (PWM) und einen zugeordneten PWM-Transistor (T1, T2) zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals mit konstantem Puls-/Pausen-Verhältnis,■ jeweils einen von der Phasenlage des Wechselspannungsnetzes gesteuerten Transistor (T3, T4), welcher bei von einer Halbwelle des Netzstroms durchflossenem, im selben Schaltungsabschnitt angeordnetem PWM-Transistor (T1, T2) auf Durchgang schaltet, derart, dass dieser Transistor (T3, T4) bei einen Spannungswert „Null“ aufweisendem pulsweitenmodulierten Signal durchsteuert,■ und in jedem der beiden Schaltungsabschnitte zwischen dem Transistor (T3, T4) und dem Elektromotor jeweils eine Diode (D3, D4) und den PWM-Transistor (T1, T2), dadurch gekennzeichnet, dass den beiden Schaltungsabschnitten jeweils nur einer der beiden Netzanschlüsse (N1, N2) zugeordnet ist und die einen Freilauf erzeugenden Transistoren (T3, T4) zwischen den Netzanschlüssen (N1, N2) und dem jeweiligen PWM-Transistor (T1, T2) zur Schaltung der Last angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der DE 299 02 942 U1 ist eine gattungsgemäße Schaltung als Schaltungsanordnung für einen Wechselstromzähler bekannt und aus der DE 101 60 361 A1 sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Stellen von Wechselstrom bekannt. Die DE 197 04 089 C2 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines Zerhackertreibers und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus dem Stand der Technik - beispielsweise aus dem Datenblatt INTERNATIONAL RECTIFIERS Corporation: IR2151 - self-oscillating half-bridge driver. El Segundo, California, 2001 (PD60034-J), Seite 1-6, oder aus den im Datenblatt ZIEHL-ABEGG AG: SINUcontrol Typ: VSET3/4V(E) : Drehzahlsteller für spannungsregelbare 1~ Motoren ; zur stufenlosen Drehzahlsteuerung eines 1~ Motors ohne zusätzliche (elektromagnetische) Motorgeräusche. Künzelsau, 2007 (TIL05_10), beschriebenen Geräten zur Drehzahlsteuerung von elektrisch angetriebenen Ventilatoren - sind Schaltungen bekannt, die einen Gleichrichter aufweisen sowie einen Gleichspannungs-Zwischenkreis. Pulsweitenmodulatoren sind vorgesehen, die technisch vergleichsweise aufwendig durch unterschiedliche Puls-/Pausen-Verhältnisse des zum Elektromotor geleiteten Stroms die Drehzahl des Elektromotors bestimmen. Wenn dabei die Transistoren den Strom zum Motor durchschalten, bekommt der Motor während eines Pulses Strom, während der vom Pulsweitenmodulator vorgegebenen Pause hingegen ist ein Stromfluss zum Elektromotor gesperrt.
Während dieser Pausenzeit ist die Induktivität des Motors bestrebt, den Strom weiter fließen zu lassen, so dass ein im Gleichspannungszwischenkreis vorgesehener Kondensator entgegen der Fließrichtung vom Netzstrom aufgeladen wird. Dies wirkt sich in mehrfacher Hinsicht nachteilig aus. So muss beispielsweise die Motorleitung abgeschirmt sein, um eine elektromagnetische Störstrahlung zu verhindern, und zudem ist die Länge der zulässigen Motorleitung begrenzt. Aufgrund dieser Umstände und der Beeinträchtigung hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit sind die vorbekannten Schaltungen nicht unproblematisch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Schaltung zu vereinfachen und hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, den Stromfluss in den Pausenzeiten des pulsweitenmodulierten Signals nicht zu unterbinden und über die Induktivität des Elektromotors einen Kondensator aufzuladen, sondern vielmehr den Stromfluss vom Elektromotor durch die Schaltung zu ermöglichen. Hierzu ist ein Freilaufkreis vorgesehen, so dass pulsierende Auf- und Entladungen nicht auftreten, wie sei beim gattungsgemäß vorgesehenen Kondensator stattfinden, und daher auf einen Kondensator verzichtet werden kann. Im Ergebnis wird mittels der vorschlagsgemäßen Schaltung ermöglicht, dass die im Motor gespeicherte Induktivitätsenergie in den Pausenzeiten des pulsweitenmodulierten Signals im Kreislauf durch den Motor und den Freilaufkreis fließt, die Motorleitung bei Verwendung einer vorschlagsgemäßen Schaltung nicht abgeschirmt werden muss und es treten keine elektromagnetischen Störstrahlungen auf, die höher wären als zulässige Normwerte. Die Motorleitung muss nicht in ihrer Länge begrenzt werden, so dass die Installation erheblich vereinfacht wird, beispielsweise wenn Lüftermotoren in Stallgebäuden betrieben werden sollen und die Anlagensteuerung in erheblicher Entfernung vom Einbauort des Lüfters vorgesehen ist.
Bei der Schaltung sind vorschlagsgemäß zwei gleichartige, symmetrische Schaltungsabschnitte vorgesehen, durch welche die vom Wechselspannungsnetz in die Schaltung fließenden positiven und negativen Halbwellen des Wechselstroms fließen. Jedem dieser beiden Schaltungsabschnitte ist dabei nur einer der beiden Netzspannungsanschlüsse zugeordnet, also anders als bei einer Gleichrichteranordnung. Jeder dieser beiden Schaltungsabschnitte weist einerseits einen Pulsweitenmodulator und andererseits den zugeordneten entsprechenden Transistor auf, der zur Unterscheidung von anderen Transistoren im Rahmen des vorliegenden Vorschlages als sogenannter PWM-Transistor bezeichnet wird. Dabei ist vorgesehen, dass ein pulsweitenmoduliertes Signal mit konstantem Puls-/Pausen-Verhältnis erzeugt wird, also mit einem über die gesamte Periodendauer gleichen Puls-/Pausen-Verhältnis, so dass die Pulsweitenmodulation technisch besonders einfach und mit wirtschaftlich geringem Aufwand in Form preisgünstiger Bauteile vorgenommen werden kann.
Zwischen den Netzspannungsanschlüssen und den beiden PWM-Transistoren ist jeweils ein Transistor vorgesehen, der von der Phasenlage des Wechselspannungsnetzes gesteuert ist und auf Durchgang schaltet, wenn der im selben Schaltungsabschnitt angeordnete PWM-Transistor von einer Halbwelle des Netzstromes durchflossen wird. Durch die erwähnten Transistoren fließt also jeweils Strom, wenn das pulsweitenmodulierte Signal den Spannungswert „0“ aufweist.
Zwischen diesen Transistoren und dem Elektromotor ist jeweils eine Diode vorgesehen, so dass der erwähnte Freilaufkreis gebildet wird und der Stromfluss durch den Elektromotor, die entsprechenden Dioden und die Transistoren ermöglicht wird.
Die vorschlagsgemäße Schaltung kann insbesondere für Motoren vergleichsweise geringer Leistung verwendet werden, beispielsweise Leistungen von höchstens 3 kW, insbesondere beispielsweise 0,5 bis 2 kW. Durch eine Abschirmung der Motorleitung und durch eine Begrenzung der Länge der Motorleitung können auch Motoren mit höherer Leistung durch eine vorschlagsgemäße Schaltung angesteuert werden.
In jedem Schaltungsabschnitt ist eine Vorschaltstufe angeordnet, welche bewirkt, dass die erwähnten Transistoren bei der entsprechenden Wechselstrom-Halbwelle einen Stromfluss ermöglichen und durchgeschaltet sind. Diese Vorschaltstufe ist zwischen dem jeweiligen Netzspannungsanschluss und den erwähnten Transistoren sowie PWM-Transistoren angeordnet.
Dabei ist vorteilhaft vorgesehen, dass diese Vorschaltstufen jeweils eine Diode und einen im Rahmen des vorliegenden Vorschlages so genannten Vortransistor aufweisen, welcher in Stromflussrichtung der Diode nachgeschaltet ist. Die Ausgänge dieser Vortransistoren sind einerseits mit einem der erwähnten Transistoren und andererseits mit einem der erwähnten PWM-Transistoren verbunden.
Dabei ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Vorschaltstufen jeweils zwischen der erwähnten Diode und dem Vortransistor einen Begrenzungswiderstand aufweisen, um einen Kurzschluss zu vermeiden, wobei beispielsweise jeweils ein Spannungsabfall von lediglich 0,7 Volt vorgesehen sein kann.
Vorteilhaft können die erwähnten Transistoren diodenfrei ausgestaltet sein, so dass besonders einfache und unkomplizierte Bauelemente verwendet werden können.
Alternativ dazu kann allerdings vorgesehen sein, dass aus wirtschaftlichen Gründen die PWM-Transistoren und die erwähnten Transistoren als Gleichteile ausgestaltet sind, die erwähnten Transistoren also doch jeweils eine Diode aufweisen. Die mit Dioden versehenen Transistoren werden in einer gegenüber diodenfreien Transistoren so viel größeren Menge hergestellt, dass sie wirtschaftlich günstiger erhältlich sind. Zudem ist für den Hersteller der vorschlagsgemäßen Schaltung ein weiterer wirtschaftlicher Vorteil dadurch erzielbar, dass durch vergrößerte Einkaufsmengen bestimmter Bauteile die Bezugspreise dieser Bauteile reduziert werden, und insbesondere wird durch die Verwendung möglichst vieler Gleichteile die Lagerhaltung sowohl für die Herstellung als auch hinsichtlich der Ersatzteil-Versorgung vereinfacht und wirtschaftlich günstiger.
Zugunsten einer sauberen Trennung der beiden Schaltungsabschnitte kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die beiden Pulsweitenmodulatoren, die mit dem gleichen Signal angesteuert sind, galvanisch voneinander getrennt sind. Dies kann beispielsweise in an sich bekannter Weise mit Hilfe von Optokopplern erfolgen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der rein schematischen Darstellung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt

1 einen Schaltplan der vorschlagsgemäßen Schaltung, und
2 einen Schaltplan einer Schaltung nach dem Stand der Technik.

In 2 ist eine Schaltung insgesamt mit 1 dargestellt, die zwei Netzanschlüsse N1 und N2 aufweist, die zum Anschluss an ein öffentliches Wechselspannungsnetz mit beispielsweise 230 Volt dienen. An die Netzanschlüsse N1 und N2 schließt sich eine Einheit FÜ an, die als Filter und Überspannungsschutz ausgestaltet ist.
In Stromflussrichtung hinter der Einheit FÜ ist ein Gleichrichter G vorgesehen, wobei ein Gleichspannungszwischenkreis mit einem Kondensator C1 vorgesehen ist.
Die Schaltung 1 weist zwei Pulsweitenmodulatoren PWM auf sowie insgesamt vier zur Steuerung vorgesehene integrierte Schaltkreise, die als „Steuer-IC“ bezeichnet sind. Jedem der Steuer-IC's ist ein Transistor T7, T8, T9 oder T10 zugeordnet. Diese vergleichsweise komplizierten Bauelemente sind erforderlich, weil die Pulsweitenmodulation bei dieser Schaltung 1 in der Form erfolgt, dass unterschiedliche Puls-/Pausen-Verhältnisse erzeugt werden, um die Drehzahl des anzusteuernden Elektromotors zu beeinflussen. Hierzu ist am motorseitigen Ende der Schaltung 1 wieder eine FÜ-Einheit als Filter und Überspannungsschutz vorgesehen und schließlich zwei Motoranschlüsse M1 und M2.
Die vorschlagsgemäße Schaltung ist in 1 dargestellt und deutlich einfacher aufgebaut, d. h. mit wirtschaftlicheren Bauteilen. Auch hier sind zwei Netzanschlüsse N1 und N2 vorgesehen sowie eine Filter- und Überspannungsschutz-Einheit FÜ und am motorseitigen Ende der Schaltung ist ebenfalls eine FÜ-Einheit sowie zwei Motoranschlüsse M1 und M2 vorgesehen. Auch bei der vorschlagsgemäßen Schaltung wird der Motor taktweise ein- und ausgeschaltet.
Eine positive Halbwelle fließt beispielsweise vom Netzanschluss N1 über den oben eingezeichneten Strompfad zu einem Transistor T3. Dieser wird von der Phasenlage des öffentlichen Wechselspannungsnetzes gesteuert, so dass er einen Stromdurchfluss ermöglicht, wenn eine positive Halbwelle durch einen PWM-Transistor T1 fließt, der einem Pulsweitenmodulator PWM 1 zugeordnet ist. Wenn die positive Halbwelle durch den PWM-Transistor T1 und die Einheit FÜ sowie der Motoranschluss M1 in den Motor fließt, so wird der Stromfluss durch den Motor hindurch, und zurück durch den Motoranschluss M2, die FÜ-Einheit, eine Diode D4 und den Transistor T3 ermöglicht.
Auf diese Weise wird ein Freilaufkreis für eine erste Stromflussrichtung gebildet. Dieser Freilaufkreis wird stets durchflossen, wenn der Pulsweitenmodulator auf dem Spannungswert „0“ steht, bei einer Taktfrequenz von beispielsweise 20 kHz. Bei einer Spannung von 0 bis 300 V fließt der Strom von „Plus“ nach „Minus“, entsprechend der technischen Stromflussrichtung durch den Motor.
Aufgrund des symmetrischen Aufbaus der vorschlagsgemäßen Schaltung wird ein gleicher Freilaufkreis für die entsprechend zweite Stromflussrichtung der negativen Halbwellen gebildet.
Zwischen den Netzanschlüssen N1 und N2 sowie den erwähnten Transistoren T3, T4 und PWM-Transistoren T1, T2 sind sogenannte Vorschaltstufen vorgesehen, die jeweils eine Diode D1, D2 umfassen, einen sogenannten Vortransistor T5, T6, sowie Widerstände R3 und R4 und Begrenzungswiderstände R1, R2. In diesen Vorschaltstufen werden die Transistoren T3 und T4 derart angesteuert, dass diese bei den jeweiligen Halbwellen durchsteuern und einen Stromfluss ermöglichen, mit der jeweiligen Netzfrequenz des Wechselstromnetzes, beispielsweise 50 Hz.
Die Begrenzungswiderstände R1 und R2 dienen dazu, einen Kurzschluss durch die Dioden (beispielsweise D2) und Vortransistoren (beispielsweise T5) zu verhindern, wobei diese Begrenzungswiderstände einen geringen Spannungsabfall von beispielsweise lediglich 0,7 Volt bewirken.
Die Transistoren T1 bis T4 können beispielsweise als IGBT ausgestaltet sein, wobei abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel jedoch auch MosFets eingesetzt werden können.
Durch die vorschlagsgemäße Schaltung nach 1 wird bewirkt, dass der Strom in den Pausenzeiten des pulsweitenmodulierten Signals fließen kann.

Claims

Elektronische Schaltung zur Drehzahlregelung eines Elektromotors, mit zwei Netzanschlüssen (N1, N2) zur Energieversorgung der Schaltung aus einem Wechselspannungsnetz, und mit Motoranschlüssen (M1, M2) zur Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Energie, und mit einem Pulsweitenmodulator (PWM) und zugehörigen PWM-Transistor (T1, T2) zur Erzeugung pulsweitenmodulierter Signale, wobei die Schaltung (1) aufweist: ■ gleichartige, symmetrische Schaltungsabschnitte, durch welche die vom Wechselspannungsnetz in die Schaltung fließenden positiven und negativen Halbwellen des Wechselstroms hindurch leitbar sind, ■ jeder Schaltungsabschnitt jeweils einen Pulsweitenmodulator (PWM) und einen zugeordneten PWM-Transistor (T1, T2) zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals mit konstantem Puls-/Pausen-Verhältnis, ■ jeweils einen von der Phasenlage des Wechselspannungsnetzes gesteuerten Transistor (T3, T4), welcher bei von einer Halbwelle des Netzstroms durchflossenem, im selben Schaltungsabschnitt angeordnetem PWM-Transistor (T1, T2) auf Durchgang schaltet, derart, dass dieser Transistor (T3, T4) bei einen Spannungswert „Null“ aufweisendem pulsweitenmodulierten Signal durchsteuert, ■ und in jedem der beiden Schaltungsabschnitte zwischen dem Transistor (T3, T4) und dem Elektromotor jeweils eine Diode (D3, D4) und den PWM-Transistor (T1, T2), dadurch gekennzeichnet, dass den beiden Schaltungsabschnitten jeweils nur einer der beiden Netzanschlüsse (N1, N2) zugeordnet ist und die einen Freilauf erzeugenden Transistoren (T3, T4) zwischen den Netzanschlüssen (N1, N2) und dem jeweiligen PWM-Transistor (T1, T2) zur Schaltung der Last angeordnet sind.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor eine Leistung von höchstens 3 kW aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Schaltungsabschnitt zwischen dem jeweiligen Netzanschluss (N1, N2) einerseits und dem PWM-Transistor (T1, T2) sowie Transistor (T3, T4) andererseits eine Vorschaltstufe angeordnet ist, derart, dass die Transistoren (T3, T4) bei der entsprechenden Wechselstrom-Halbwelle einen Stromfluss ermöglichend durchsteuern, wobei die Vorschaltstufen jeweils eine Diode (D1, D2) sowie einen in Stromflussrichtung der Diode (D1, D2) nachgeschalteten Vortransistor (T5, T6) aufweisen, und die Ausgänge der Vortransistoren (T5, T6) jeweils einerseits mit einem Transistor (T3, T4) und andererseits mit einem PWM-Transistor (T1, T2) verbunden sind.
Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschaltstufen jeweils zwischen der Diode (D1, D2) und dem Vortransistor (T5, T6) einen Begrenzungswiderstand (R1, R2) aufweisen.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (T3, T4) diodenfrei ausgestaltet sind.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM-Transistoren (T1, T2) und die Transistoren (T3, T4) als Gleichteile ausgestaltet sind.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsweitenmodulatoren (PWM) mit dem gleichen Signal angesteuert sind, wobei eine galvanische Trennung der Pulsweitenmodulatoren (PWM) voneinander sowie von dem Signal vorgesehen ist.