DE19629564C2

DE19629564C2 - Kleiner Hochleistungselektroantrieb für Asynchron-, Synchron -und andere Wechselstrommotoren

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Publication number: DE19629564C2
Application number: DE1996129564
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-07-15
Filing date: 1996-07-15
Publication date: 2000-10-19
Anticipated expiration: 2016-07-16
Also published as: DE19629564A1

Description

Bekannt und verbreitet sind regulierbare Antriebe für Wechselstrommotoren, die Stromquellen (Netz, Akkus etc.) und Stromindikatoren (Spannung) enthalten und Asynchron- oder Synchronmotoren mit Wechselstrom versorgen. Als Beispiel eines solchen Antriebes können Stromversorgungssysteme der regulierbaren Asynchron motoren von Walzwerken, der Asynchronmotoren von Webstuhlspindeln etc. dienen.

Allerdings haben diese Prinzipien und diese Vorrichtungen im Bereich der kleinen elektrischen Hochleistungsantriebe bei der Herstellung von elektrischen Handwerk zeugen und von Haushaltselektronik (Staubsauger, Kaffeemühlen, Gartenbedarf, Nähmaschinen sowie Elektromobile) keine massenhafte Anwendung gefunden, so daß z. Z. praktisch in allen diesen Fällen Kommutatormotoren mit hoher Drehzahl (6- 12 Tausend Umdrehungen/min und mehr) verwendet werden.

Die Nachteile dieser Maschinen sind allgemein bekannt. Das sind vor allem ein niedriger Wirkungsgrad von max. 70%, Verwendung eines Kommutators und der Bürsten, hoher Arbeits- und Materialaufwand bei der Herstellung sowie geringere Zuverlässigkeit im Betrieb.

In Abdelhamid, Darwish, Metha, EPE-Journal, 1995, H.2, S. 7-12, wird eine Hochlei stungsstromversorgung für Leistungen um 500 VA mit einem Gleichrichter, einem Wechselrichter für hohe Frequenzen (20 kHz) einem Hochfrequenztransformator mit Ferrit-Ringkern und einem Direktumrichter, der die Hochfrequenz durch entspre chende Umschaltung der Halbwellen auf eine Arbeitsfrequenz von 50 Hz herabsetzt offenbart. Zur unterbrechungsfreien Stromversorgung ist eine Batterie vorgesehen, die über einen Wechselrichter den Hochfrequenztransformator speist und vom Gleichstromzwischenkreis geladen wird. Zur Steuerung ist ein Mikroprozessor vor gesehen. Ein ähnliches System, das dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegt, mit einem Hochfrequenzwechselrichter und einem Frequenzumrichter in Brückenschaltung, der einen dreiphasigen Motor speist, wird in Sood, Lipo, Hansen, IEEE Transactions on Power Electronics, 1988, H.4, S. 383- 390, beschrieben. Der Umrichter arbeitet hierbei als Direktumrichter, indem er Halb wellen der Hochfrequenz jeweils im Rhythmus der Ausgangsfrequenz gruppiert. Aus Düchting, AEG-Mitteilungen, 1963, H. 3, 4, S. 133-140, ist ein Motor mit vereinfach tem Direktumrichter, bei dem in jeder der drei Motorphasen ein Paar von antiparal lelen Thyristoren angeordnet ist, bekannt. Auch dieser Direktumrichter gruppiert die Eingangsfrequenz-Halbwellen im Rhythmus der Motorspeisefrequenz.

Tatsächlich beträgt die induktive Spannungssenkung ΔU für jeden elektrischen Stromkreis mit Induktivität L

ΔU = I_B WL = I_B2πfL (1)

wo I_B = Belastungsstrom (Ampere)
w = Kreisfrequenz
f = Umformfrequenz (Herz)
bedeuten.

Bei Frequenzen von 5-100 kHz erreicht w die Werte von (31,4 - 628) × 10³ und bei Stromwerten 2-200 Ampere, die für die Antriebe mit sogar 0,5-5 Wt charakteri stisch sind. Es lassen sich durch Berechnungen laut (1) ΔU-Werte ermitteln, die in der Tabelle Nr. 1 zusammengefaßt sind. Bei diesen Berechnungen wurde davon ausgegangen, daß der ΔU-Wert 5% der Speisespannung des 220 V-Netzes nicht übersteigen soll.

Es ist offensichtlich, daß die Herstellung von Transformatoren mit derart niedrigen Werten der Induktivitätsstreuung anhand der bekannten Methoden nicht realisierbar ist. Im Patent Nr. 19606299.3 vom 08.02.96 der BRD wird das Konstruktions- und Herstellungsverfahren der Hochleistungstransformatoren mit 25-50 kWt beschrie ben, die sich durch extrem niedrige eigene Streuungsinduktivität von 10-20 × 10^-6 Henry auszeichnen und die bei hohen Frequenzen und bei Starkstrom funktionieren können. Wie darüber hinaus aus Mock, Elektronik, 1993, H.23, S. 46-50 und der DE 23 09 538 B2 ersichtlich, ist der Wicklungsaufbau eines Hochfrequenztransforma tors als Folienwicklung üblich, wobei gemäß der DE 23 09 538 B2 die Wicklung auf einem Ringkern vorliegt.

Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kleinen, preiswerten Drehstro mantrieb zu schaffen, der z. B. im Haushaltsbereich und Heimbereich den Univer salmotorantrieb ersetzen kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren An sprüche kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Das Funktionsprinzip, die Schemata und der Aufbau der wichtigsten Elemente und Einheiten des neuen kleinen E-Antriebes werden anhand folgender Zeichnungen erläutert:

Fig. 1 Strukturschema des Antriebes

Fig. 2 Grundsätzlicher Schaltkreis

Fig. 3 Konstruktion des Blocks Transformator-Gleichrichter

Fig. 4 Konstruktion und Verteilung der Einheiten des kleinen elektrischen Hochlei stungsantriebes in einer Bohrmaschine (Beispiel zur Realisierung)

In der Fig. 1 wird das Wechselstromnetz 6 über den Schalter 11 dem Gleichrichter 5 zugeführt, der mit dem Wechselrichtereingang 4 verbunden wird. Der Wechselrich ter 4 wandelt die gleichgerichtete Spannung zur Wechselspannung erhöhter Fre quenz f ≧ 0,5-100 kHz um. Am Wechselrichterausgang wird der Abspanntrafo 3 positioniert, dessen Sekundärwicklung an den Umrichter 2 angeschlossen ist, der die Sekundärspannung des Trafos 3 in eine regulierbare Dreiphasenspannung mit Versetzung um 120° (elektrisch) umwandelt, wobei f₂ < f₁ und die Frequenz f₂ sich in breiten Grenzen verändern kann - von f₂ = 0 (Gleichstrom) bis zum nominalen Wert für den konkreten Motor 1, einem Dreiphasensynchron- oder Asynchronmotor mit hoher Drehzahl und hoher Frequenz (100-500 Hz). Die Frequenzänderung ebenso wie Änderung der Drehzahl erfolgt anhand des Steuerungsorgans 9, das mit dem Mikroprozessor 8 verbunden ist und dessen Ausgang mit Umrichter 2 verbunden ist. Der zweite Ausgang des Mikroprozessors 8 wird mit dem Wechselrichter 4 verbun den. Über diesen Ausgang werden Taktsignale gesendet, die die Frequenz f₁ be stimmen. Den Eingängen 12 und 13 des Mikroprozessors 8 werden Signale von den Drehzahlgebern des Motors 12 und der Werte des Stroms 13 zugeführt. Diese Si gnale werden im Mikroprozessor 8 bearbeitet und infolge dieser Bearbeitung werden am Ausgang des Wandlers 2 Frequenz und Strom gebildet, die zu dem optimalen Betriebsmodus des Antriebes passen. Die Speisung des Mikroprozessors erfolgt über die stabilisierte Gleichspannungsquelle I0, an deren Eingang niedrige Span nung von der Hilfswicklung des Transformators 3 zugeführt wird. Die Speisung des Antriebes kann auch vom Akku 7 erfolgen, dessen Ausgangsspannung unmittelbar dem Eingang des Wechselrichters 4 zugeführt wird. Der Betriebsmodus des Antrie bes (konstante Drehzahl, konstantes Moment an der Welle, Ventilatorcharakteristik, Grenzwerte des Schatzstroms etc.) werden vom Programmgeber 14 vorgegeben, der seinerseits über die Tasten am Minipult 15 (Fig. 2a) gesteuert wird. In der Fig. 2a wird der grundsätzliche Stromkreis des Antriebes dargestellt. Das Netz 6 wird hier an den Gleichrichter 5 angeschlossen, an dessen Ausgang das Filter 15 und der Wechselrichter 4 eingeschaltet werden, der anhand der gesteuerten Schalter V1 -V4 auf der Primärwicklung des Trafos 3 die Gleichspannung in die Wechselspan nung mit hoher Frequenz f ≧ 0,5-100 kHz umwandelt. An die Sekundärwicklung W2 sind drei Paare von Zweiweggleichrichtern V5-V10 angeschlossen, wobei jede ge rade Zahl am Ausgang, die eine Durchlaßrichtung und nicht gerade die andere Durchlaßrichtung ergibt. Die Ausgänge aller Paare sind vereint und jeder von ihnen ist an seine Phase A, B oder C des Dreiphasenasynchronmotors 1 angeschlossen. Somit wird dem Motor 1 die um 120° versetzte Spannung zugeführt mit der Frequenz f₁. Die Einschaltdauer von V5-V10 bestimmt die Betriebsfrequenz der Speisung des Motors f₂ = 1/T und somit wird die Drehzahl mit den Signalen des Mikroprozessors V'5-V'10 eingestellt, wobei jeder von den Gleichrichtern V5-V10 für die Zeit T/2 eingeschaltet wird. In der Fig. 2b werden Kurven der Spannungen in jeder von drei Phasen dargestellt. Die Regulierung des Spannung am Motor erfolgt über die Puls breitenmodulation durch die Änderung der Pausendauer 0 ≦ τ ≦ T/4. Die Frequenz und der Wert τ bestimmt der Mikroprozessor 8 automatisch je nach der vorgegebe nen Betriebsart an den Eingängen 14 und 9 und nach Rückkopplungen, deren Si gnale von den Gebern 12 (Drehzahl) und 13 (Stromwerte) kommen (Fig. 2a). Die Speisung des Mikroprozessors erfolgt über die Wicklung W3 durch den stabilisierten Gleichrichter 10. Der Betriebsmodus wird durch die Auswahl der Signale am Pult 15 bestimmt. In den Fig. 3a und 3b wird die Einheit Trafo-Gleichrichter dargestellt, die für eine Bohrmaschine mit Leistung 1650 Wt, deren Gesamtansicht in der Fig. 4 ge zeigt wird. Fig. 3a zeigt den Ringkern 16 aus Ferrit mit max. Induktivität 0.4 Tesla, auf den die Primärwicklung gewickelt ist, um die herum die Sekundärwicklung 18 gewickelt ist, die aus Folie in Form von hohlen durchgehenden Zylindern ausgeführt wird (Dicke δ). Der Außenzylinder hat Lamellen 19 zur Kühlung des Transformators. Auf dem horizontalen Teil der letzten Windung und auf den Kühlungslamellen sind drei Paare von Gleichrichtern V5-V10 mit geringem Wärmewiderstand untereinan der und zwischen der Windung und dem Mikroprozessor angeordnet. Der Anfang der Sekundärwicklung 20 wird durch die Öffnungen 21 nach außen zwischen die Gleichrichter V5-V10 gebracht und bildet mit den Ausgängen 22 der Gleichrichter einen Koaxialleiter.

An die drei Ausgänge 22 werden Phasen ABC des Asynchronmotors und am Anfang 20 die Sternpunktsklemme angeschlossen. Die Masse eines solchen Transformators beträgt bei Leistung 1650 WT max. 0,6 kg, die Ausmaße sind der Zeichnung zu ent nehmen (3a). Seine Induktivität der Streuung beträgt max. 4 × 10^-6 Henry und der induktive Spannungsrückfall beträgt beim nominalen Strom max. 1,9 V bei der Frequenz 10 kHz, was bei der Spannung 220 Volt lediglich 0,86% ausmacht.

In der Fig. 4 ist eine Zeichnung der Bohrmaschine mit einem kleinen Hochleistungs antrieb nach dieser Erfindung dargestellt. Der Asynchronmotor 1 wird an einer Seite mit dem Gleichrichter 2 und dem Trafo 3 verbunden und an der anderen Seite mit einem Getriebe. Auf der gleichen Achse wird der Wechselrichter 4 positioniert. Der Gleichrichter 5 und das Filter 15 werden im Griff positioniert. Der Pult zur Vorgabe der Betriebsarten 15 befindet sich an der Stirnseite des Gehäuses 25. Mit der Mo torwelle werden Getriebe und Hülse 24 verbunden.

Auf dem Vorsatz 26 befindet sich ein Mini-Bildschirm, auf dem die ausgewählte Be triebsart, Drehzahl, Werte des Betriebsstromes usw. angezeigt werden. Einschalten und Regulieren der Drehzahl erfolgt durch den Betreiber beim Betätigen des Hebels 9. Die auf diese Weise hergestellte Bohrmaschine verfügt über eine größere Palette an technologischen Möglichkeiten im Vergleich mit anderen bereits bekannten Kon struktionen und zeichnet sich durch einfache Bedienung, hohe Zuverlässigkeit dank der Anwendung von modernen preiswerten Halbleiterteilen als Wechselrichter schalter, Dioden, Gleichrichter, Mikroprozessor usw. sowie durch einen höheren Wirkungsgrad aus.

Neue technologische Lösungen, die in dieser Erfindung enthalten sind, ermöglichen es, das Problem zur Schaffung eines sparsamen und zuverlässigen Elektromobils, eines Motorrades, eines Fahrrades, eines Rollstuhls etc. zu lösen sowie die Mög lichkeiten der Robototechnik, Maschinen und der Weltraumtechnik wesentlich zu erweitern.

Claims

1. Kleinantrieb mit einem Drehstrommotor, einem Gleichrichter, einem einphasigen Hochfre quenz-Wechselrichter und einem Frequenzumrichter, der die hochfrequente Spannung des Wechselrichters direkt in eine mehrphasige Spannung variabler, niedriger Frequenz umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter aus Paaren von gleichrichtenden Schaltern besteht, die in Parallelschaltung jeweils eine Motorphase mit dem einen Hochfrequenz- Wechselspannungsausgang verbinden, und daß der andere Hochfrequenz- Wechselspannungsausgang mit dem Sternpunkt des Drehstrommotors verbunden ist.

2. Kleinantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter und/oder Wechselrichter durch einen Mikroprozessor gesteu ert wird, dem Sensoren die Istwerte für Spannung, Strom und Drehzahl zuführen.

3. Kleinantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wechselrichter und dem Frequenzumrichter ein Hochfrequenztrans formator mit Folienwicklung vorgesehen ist.

4. Kleinantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente des Umrichters und/oder des Wechselrichters auf der äußersten Windung der Transformator-Sekundärwicklung angeordnet sind.

5. Kleinantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatoroberfläche Kühlungslamellen aufweist.

6. Kleinantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb mit einen Mini-Bildschirm versehen ist, der die von dem Betreiber ausge wählte Betriebsart, aktuelle Werte der Motordrehzahl, des Stroms, des Drehmo ments unter Angabe der Grenzwerte für zulässige Betriebsarten sowie Leistung anzeigt.

7. Kleinantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichtereingang Klemmen zum Anschließen des Akkus beim autonomen netzlosen Betriebsmodus hat.