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Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen Drehstromasynchronmotor.
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Drehstromasynchronmotoren können direkt an einem Drehstromnetz über einen Frequenzumrichter, über einen Stelltransformator oder über eine Phasenanschnittsteuerung betrieben werden.
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Beim Betrieb direkt am Drehstromnetz treten hohe Anlaufströme, hohe Blindleistungen im Leerlauf und hohe Ströme auch bei geringer Last auf. Eine Steuerung der Drehzahl ist nicht möglich. Die Leistung des Drehstromasynchronmotors ist vom Niveau der Netzspannung abhängig.
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Mit einem Frequenzumrichter ist zwar die Drehzahl steuerbar, jedoch treten im Frequenzumrichter hohe Verluste auf. Durch die große Anzahl im Frequenzumrichter erforderlicher Bauteile sind dessen Kosten und Ausfallrisiko hoch. Zudem prägt der Frequenzumrichter dem Drehstromnetz per Netzrückwirkung einen hohen Oberwellenanteil auf.
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Stelltransformatoren sind schwere Bauteile, mit denen die Drehzahl nur begrenzt steuerbar ist. Der Betrieb des Stelltransformators ist kaum automatisierbar.
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Wird der Drehstromasynchronmotor mit Phasenanschnittsteuerung betrieben, treten ebenfalls Oberwellen als Netzrückwirkung auf. Der Motor entwickelt im Betrieb unerwünschte Geräusche. Der Anlaufstrom ist nur unzureichend reduzierbar und die Drehzahl nur eingeschränkt steuerbar.
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Zur Verhinderung der hohen Anlaufströme werden teils spezielle Anlaufgeräte vorübergehend in die Netzphasen geschaltet.
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Aus der
DE 1 809 438 C ist eine Schutzschaltung zur Begrenzung von Überspannungen für Halbleiterschaltungen bekannt, wobei die Spannungsbegrenzung mittels dreier Zener-Dioden erfolgt, die jeweils am Eingang und Ausgang eines Drehstromstellers zu einer Sternschaltung zusammengefasst sind.
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Aus der
DE 34 09 299 C2 ist eine Begrenzung mittels eines Schalttransistors bekannt, wobei die Induktionsspannungsbegrenzungsschaltung parallel zu den Motorwicklungen geschaltet ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Steuerschaltung für einen Drehstromasynchronmotor und ein Verfahren zu dessen Steuerung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuerschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Steuerschaltung für einen Drehstromasynchronmotor ist so aufgebaut, dass jede von drei Netzphasen über einen Phasentransistor mit mindestens einer von drei Statorwicklungen des Drehstromasynchronmotors verbunden ist. Der Drehstromasynchronmotor weist drei Statorwicklungen (auch Motorwicklungen oder Hauptinduktivitäten genannt) auf, von denen jede mit einer Anode je einer Freilaufdiode verbunden ist. Die Kathoden der Freilaufdioden sind mit einem Freilaufsammelpotential verbunden. Jede der Netzphasen ist zusätzlich über einen Freilauftransistor mit dem Freilaufsammelpotential verbunden.
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Ein solcher Aufbau einer Steuerschaltung ermöglicht, dass die Phasentransistoren die aus dem Drehstromasynchronmotor herausgeführten Anschlüsse mit den drei Netzphasen verbinden und die Phasentransistoren dementsprechend angesteuert werden können. Im Falle eines Stromflusses (technische Stromrichtung) aus der Netzphase heraus, das heißt in den Drehstromasynchronmotor hinein, kann die Verbindung durch eine in den Phasentransistor integrierte Freilaufdiode übernommen werden, insbesondere, wenn der Phasentransistor als ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (im Weiteren kurz MOSFET genannt; MOSFET = metal oxid semiconductor field effect transistor) ausgebildet ist. In diesem Zustand entfällt so die Steuerung des Phasentransistors. Wird der Phasentransistor ausgeschaltet, während er von einem Strom in Richtung der Netzphase durchflossen ist, würde es zu einer hohen, durch die Induktivitäten des Drehstromasynchronmotors bedingten Spannung am motorseitigen Anschluss des Phasentransistors kommen. Im Falle des MOSFETs ist dies dessen Drain. Diese Induktionsspannung wird jedoch begrenzt, indem der Motorstrom im Moment der Abschaltung des Phasentransistors bis zum Wiedereinschalten oder bis zum Abklingen der Energie in der jeweiligen Induktivität durch einen anderen Teil der Schaltung übernommen wird. Diese Funktion wird durch die Freilauftransistoren, die Freilaufdioden und das Freilaufsammelpotential übernommen.
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Auf diese Weise können die Phasentransistoren beliebig ein- und ausgeschaltet werden, ohne dass sie durch eine Induktionsspannung zerstört werden, die über der Spannungsfestigkeit der Phasentransistoren liegt. Die Steuerschaltung weist eine vergleichsweise geringe Anzahl an Bauteilen auf und ist somit preisgünstig realisierbar. Sie zeichnet sich weiter durch einen geringen Anlaufstrom, eine geringe Netzrückwirkung durch Oberwellen, eine gute Steuerbarkeit des Stromflusses und der Blindleistung, eine relativ geringe Verlustleitung (verglichen mit einem Frequenzumrichter), eine Steuerbarkeit der Drehzahl des Drehstromasynchronmotors und geringe Geräuschentwicklung aus, insbesondere wenn die Steuerschaltung mit Frequenzen außerhalb des Hörbereichs betrieben wird. Die Funktionalität der Steuerschaltung ähnelt der eines Stelltransformators, ist jedoch wesentlich leichter als dieser und benötigt erheblich weniger Bauraum. Zudem ist die Steuerschaltung leichter automatisierbar.
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Der Freilauftransistor wird bevorzugt genau dann eingeschaltet, wenn seine jeweils zugehörige Netzphase ein höheres Potential aufweist als jede der Netzphasen der beiden anderen Freilauftransistoren. Das bedeutet, dass bis auf eine kurze Überschneidung, zu jedem Zeitpunkt immer nur ein Freilauftransistor eingeschaltet ist. Die Freilauftransistoren wechseln mit Netzfrequenz (beispielsweise 50 Hz) der Reihe nach in ihren Einschaltzustand. Dieser Prozess schafft das so genannte Freilaufsammelpotential, an dem alle Freilauftransistoren angeschlossen sind, im Fall der Verwendung von MOSFETs mit ihrem jeweiligen Drain. Dieses Freilaufsammelpotential bleibt auch unter Strombelastung erhalten. Es entspricht dem höchsten Potential, das heißt der höchsten Phasenspannung der drei Netzphasen. Das Freilaufsammelpotential übernimmt nun den Motorstrom der Phasentransistoren bei deren Ausschaltvorgang, indem der Motorstrom über die zusätzlichen Freilaufdioden in das Freilaufsammelpotential eingeleitet wird.
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Es können weitere Bauteile in der Steuerschaltung vorgesehen sein, insbesondere Ansteuerungstreiber für die Transistoren und Bauteile zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), beispielsweise jeweils ein zwischen je zwei Netzphasen geschalteter Kondensator.
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Der Phasentransistor ist bevorzugt als ein Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgebildet. Alternativ ist die Verwendung eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode (im Weiteren kurz IGBT genannt, IGBT = insulated gate bipolar transistor) möglich. Vorzugsweise ist dabei der Drain des Feldeffekttransistors mit der Statorwicklung verbunden.
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Ebenso kann der Freilauftransistor als ein Feldeffekttransistor ausgebildet sein. Alternativ ist die Verwendung eines IGBTs möglich. Der Drain des Freilauftransistors ist dabei bevorzugt mit dem Freilaufsammelpotential verbunden.
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Die Statorwicklungen des Drehstromasynchronmotors können beispielsweise in Dreieckschaltung oder in Sternschaltung geschaltet sein.
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Besonders bevorzugt ist der Phasentransistor als ein MOSFET, insbesondere ein so genannter Superjunction-MOSFET ausgebildet, beispielsweise als ein CoolMOSTM der Firma Infineon. Superjunction-MOSFETs haben in Leistungsbereichen von etwa 10 kW geringere Schalt- und Durchleistungsverluste als ein IGBT. Die bekannte, hohe Sperrverzögerung der Body-Dioden dieser Superjunction-MOSFET beeinträchtigt die Funktion der Steuerschaltung nicht.
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Vorzugsweise ist ein Momentanspannungssensor und/oder ein Momentanstromsensor für jede der Netzphasen vorgesehen, um die Freilauftransistoren entsprechend ein- und auszuschalten.
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Die Steuerung der Phasentransistoren und der Freilauftransistoren kann beispielsweise mittels eines Microcontroller erfolgen.
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Die Steuerung erfolgt vorzugsweise so, dass die Phasentransistoren so ein- und ausgeschaltet werden, dass sich zumindest annähernd ein sinusförmiger Drehstrom durch den Drehstromasynchronmotor ergibt.
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Die Phasentransistoren können beispielsweise pulsweitenmoduliert angesteuert werden, insbesondere mit einer Taktfrequenz im Bereich von 20 kHz bis 100 kHz. Dadurch lässt sich der Stromfluss durch den Drehstromasynchronmotor auf ein beliebiges Maß reduzieren. Die mittlere Motorspannung bleibt dabei im Ergebnis die eines dreiphasigen Drehstromsystems mit Netzfrequenz, beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz, jedoch mit einer veränderbaren Spannungsamplitude. Dabei ergibt sich eine Steuerbarkeit ähnlich der eines Stelltransformators. Im Unterschied zum Stelltransformator ergibt sich jedoch eine geringfügig abweichende Stromkurve, die im Wesentlichen einem Stromflusswinkel von etwa 30° entspricht. Dies wird dadurch verursacht, dass jeweils über 60° des Phasenwinkels ein Strom über die integrierten Freilaufdioden (auch Bodydioden genannt) von zwei der Phasentransistoren fließt. Dieser Effekt wird jedoch durch den vom Drehstromasynchronmotor gegebenenfalls ohnehin benötigten Blindstrom überdeckt.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
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1 eine Schaltung mit einem Drehstromasynchronmotor und drei Phasentransistoren,
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2 die Schaltung aus 1, erweitert mit zusätzlichen Freilauftransistoren und Freilaufdioden,
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3 die Schaltung aus 2 bei eingeschalteten Phasentransistoren, und
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4 die Schaltung aus 2 mit zwei ausgeschalteten Phasentransistoren im Moment des höchsten Phasenpotentials auf der Netzphase L1.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Teil einer Steuerschaltung 1 mit einem Drehstromasynchronmotor 2 gezeigt, von dem drei Statorwicklungen 3.1, 3.2, 3.3 dargestellt sind. Die Statorwicklungen 3.1 bis 3.3 sind in Dreieckschaltung geschaltet. Jedem der sich dabei ergebenden Anschlüsse des Drehstromasynchronmotors 2 ist ein Phasentransistor MP1, MP2, MP3 zur Verbindung mit je einer Netzphase L1, L2, L3 zugeordnet. Die Phasentransistoren MP1, MP2, MP3 sind als MOSFET ausgebildet oder umfassen je einen MOSFET. Im Falle eines Stromflusses (technische Stromrichtung) aus der Netzphase L1, L2, L3 heraus, das heißt in den Drehstromasynchronmotor 2 hinein, kann die Verbindung durch eine in den Phasentransistor MP1, MP2, MP3 integrierte Freilaufdiode (auch Bodydiode genannt) übernommen werden. In diesem Zustand ist es daher unerheblich, ob der Phasentransistor MP1, MP2, MP3 ein- oder ausgeschaltet ist. Wird der Phasentransistor MP1, MP2, MP3 ausgeschaltet, während er von einem Strom aus dem Drehstromasynchronmotor 2 in Richtung der Netzphase L1, L2, L3 durchflossen ist, würde es zu einer hohen, durch die Induktivitäten des Drehstromasynchronmotors 2 bedingten Spannung am motorseitigen Anschluss (dem Drain) des Phasentransistors MP1, MP2, MP3 kommen.
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Um zu verhindern, dass dabei Spannungen auftreten, die über die Spannungsfestigkeit des Phasentransistors MP1, MP2, MP3 hinausgehen, wird die Steuerschaltung 1 gemäß 1 erweitert, wie in 2 gezeigt.
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Die Statorwicklungen 3.1, 3.2, 3.3 sind hierzu mit einer Anode je einer zusätzlichen Freilaufdiode D1, D2, D3 verbunden. Die Kathoden der Freilaufdioden D1, D2, D3 sind untereinander verbunden und bilden ein Freilaufsammelpotential 4. Jede der Netzphasen L1, L2, L3 ist zusätzlich über einen Freilauftransistor MF1, MF2, MF3 mit dem Freilaufsammelpotential 4 verbunden. Die beim Ausschalten der Phasentransistoren MP1, MP2, MP3 während eines Stromflusses aus dem Drehstromasynchronmotor 2 in Richtung der Netzphase entstehende Induktionsspannung wird begrenzt, indem der Motorstrom im Moment der Abschaltung des Phasentransistors MP1, MP2, MP3 bis zum Wiedereinschalten oder bis zum Abklingen der Energie in der jeweiligen Induktivität durch das Freilaufsammelpotential 4 übernommen wird.
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Bei eingeschalteten Phasentransistoren MP1, MP2, MP3 ergibt sich ein Stromfluss I1, wie in 3 gezeigt. Die Darstellung des Stromflusses I1 dient nur der Veranschaulichung, an welchen Stellen der Steuerschaltung 1 in der beschriebenen Situation Strom fließt. Insbesondere soll mit der Darstellung nicht die Stromrichtung festgelegt werden. Ebenso soll nicht ausgedrückt werden, dass der Strom in allen mit I1 gekennzeichneten Abschnitten der Steuerschaltung 1 gleich groß ist.
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In 4 ist die Erzeugung des Freilaufsammelpotentials 4 bei abgeschalteten Phasentransistoren MP2, MP3 dargestellt (im Freilauf). Hierzu wird der Freilauftransistor MF1 genau dann eingeschaltet, wenn seine zugehörige Netzphase L1 ein höheres Potential aufweist als jede der beiden anderen Netzphasen L2, L3. Das bedeutet, dass bis auf eine kurze Überschneidung, zu jedem Zeitpunkt immer nur ein Freilauftransistor MF1, MF2, MF3 eingeschaltet ist. Die Freilauftransistoren MF1, MF2, MF3 wechseln mit Netzfrequenz (beispielsweise 50 Hz) der Reihe nach in ihren Einschaltzustand. Dieser Prozess schafft das Freilaufsammelpotential 4, an dem alle Freilauftransistoren MF1, MF2, MF3 angeschlossen sind, im vorliegenden Fall der Verwendung von MOSFETS mit ihrem jeweiligen Drain. Dieses Freilaufsammelpotential 4 bleibt auch unter Strombelastung erhalten. Es entspricht dem höchsten Potential, das heißt der höchsten Phasenspannung der drei Netzphasen L1, L2, L3.
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Das Freilaufsammelpotential 4 übernimmt nun den Motorstrom der Phasentransistoren MP1, MP2, MP3 bei deren Ausschaltvorgang, indem der Motorstrom über die zusätzlichen Freilaufdioden D2, D3 in das Freilaufsammelpotential 4 eingeleitet wird. Es ergibt sich der Stromfluss I2.
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Die in 4 gezeigte Darstellung ist exemplarisch für den Fall, dass die Netzphase L1 das höchste Potential aufweist. Im Fall, dass das höchste Potential auf der Netzphase L2 oder L3 anliegt, ist der jeweils zugeordnete Freilauftransistor MF2 bzw. MF3 eingeschaltet.
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Die Darstellung des Stromflusses I2 dient nur der Veranschaulichung, an welchen Stellen der Steuerschaltung 1 in der beschriebenen Situation Strom fließt. Insbesondere soll mit der Darstellung nicht die Stromrichtung festgelegt werden. Ebenso soll nicht ausgedrückt werden, dass der Strom in allen mit I2 gekennzeichneten Abschnitten der Steuerschaltung 1 gleich groß ist.
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Es können weitere Bauteile in der Steuerschaltung vorgesehen sein, insbesondere Ansteuerungstreiber für die Transistoren MF1, MF2, MF3, MP1, MP2, MP3 und Bauteile zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), beispielsweise jeweils ein zwischen je zwei Netzphasen geschalteter Kondensator C1, C2, C3.
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Der Phasentransistor MP1, MP2, MP3 kann als ein IGBT oder ein MOSFET, insbesondere ein Superjunction-MOSFET, beispielsweise ein CoolMOSTM ausgebildet sein.
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Der Freilauftransistor MF1, MF2, MF3 kann als ein IGBT ausgebildet sein.
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Die Statorwicklungen 3.1, 3.2, 3.3 des Drehstromasynchronmotors 2 können alternativ in Sternschaltung geschaltet sein.
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Vorzugsweise ist ein Momentanspannungssensor und/oder ein Momentanstromsensor (nicht gezeigt) für jede der Netzphasen L1, L2, L3 vorgesehen.
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Die Steuerung der Phasentransistoren MP1, MP2, MP3 und der Freilauftransistoren MF1, MF2, MF3 kann beispielsweise mittels eines Microcontrollers (nicht gezeigt) erfolgen.
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Die Steuerung erfolgt vorzugsweise so, dass die Phasentransistoren MP1, MP2, MP3 so ein- und ausgeschaltet werden, dass sich zumindest annähernd ein sinusförmiger Drehstrom durch den Drehstromasynchronmotor 2 ergibt.
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Die Phasentransistoren MP1, MP2, MP3 können beispielsweise pulsweitenmoduliert angesteuert werden, insbesondere mit einer Taktfrequenz im Bereich von 20 kHz bis 100 kHz.
