DE2121551A1 - Gegentakt-Wechselrichter zur Speisung eines Wechselstrommotors - Google Patents
Gegentakt-Wechselrichter zur Speisung eines WechselstrommotorsInfo
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Description
PAPST - MOTOREN KG 3θ,4
7742 St.Georgen/Schwarzwald Rai/Doe/HDP-bk
Karl-Maier-Str. 1
Gegentakt - Wechselrichter zur Speisung eines Wechselstrommotors
Die Erfindung betrifft einen Gegentakt - Wechselrichter zur Speisung
eines Wechselstrommotors, mit einer Induktivität, deren Mittelanzapfung
an den einen Pol einer GleichspannungsquelIe und deren
äußere Wicklungsenden jeweils über ein einer Wicklungshälfte zugeordnetes,
steuerbares Halbleiter - Schaltelement im Wechsel an den
anderen Pol der Gleichspannungsquelle anschließbar sind, und bei der die beiden Halbleiter- Schaltelemente mit der Induktivität eine
Schwingschaltung bilden.JAus der DAS 1.013.777 ist ein Gegentakt-Wechselrichter
zur Speisung eines Wechselstrommotors bekanntgeworden. Bei dieser bekannten Schaltung ist ein Ausgangstransformator
vorgesehen, und die beiden Wicklungshälften der Primärwicklung dieses
Transformators bilden die für den Wechselrichterbetrieb erforderliche
Induktivität. Parallel zur Primärwicklung sind zwei in Reihe geschaltete Wicklungen des Motors angeschlossen.
Bei derartigen Wechselrichterschaltungen wird heute zunehmend gefordert,
daß sie mit dem Wechselstrommotor zusammen in ein Gerät eingebaut werden können, z.B. in efien Lüfter, so daß sich ein fertiges,
als Einheit verkäufliches Gerät ergibt, in dem Motor und Wechselrichter
fest verdrahtet enthalten sind. Hierzu muß der Wechselrichter klein und kompakt gebaut sein, und dabei stört besonders der
bei der bekannten Schaltung verwendete Ausgangstransformator. Auch erhöht dieser wesentlich den Preis eines solchen Wechselrichters.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der bekannten
Wechselrichter zu vermeiden und insbesondere^ einen kompakten
und preiswerten Wechselrichter zu schaffen, der sich dafür eignet,
kleinere Wechselstrommotoren mit Wechselstrom zu speisen.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einem eingangs genannten Wechselrichter
dadurch erreicht, daß beide Wicklungshälften der Induktivität
als Teile der Wicklung des Wechselstrommotors ausgebildet sind. Durch die Verwendung der in jedem Fall vorhandenen Wicklung des
Wechselstrommotors wird die Verwendung eines separaten Transformators
überflüssig, wodurch sich der Preis des Wechselrichters verringert und man einen sehr kompakten Aufbau desselben erhält, der
sich auch sehr gut für den Einbau in ein Gerät eignet. Eine weitere Vereinfachung ergibt sich erfindungsgemäß dadurch, daß bei einem
Wechselrichter, bei dem die Halbleiter - Schaltelemente als Transistoren
ausgebildet sind, die Steuerelektrode, z.B. die Basis,des einen
Transistors jeweils mit einem Steuersignal beaufschlagbar ist, das von der dem anderen Transistor zugeordneten Wicklungshälfte
abgeleitet ist. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit, zur Ansteuerung der Transistoren gesonderte HiIfswicklungen zu verwenden, wie sie
beispielsweise die eingangs genannte DAS 1.013.777 zeigt. Solche HiIfswicklungen können zwar bei einer erfindungsgemäßen Lösung
durchaus auch als Teil der Motorwicklung vorgesehen werden, verteuern
aber naturgemäß d'e* Herstellung eines solchen Motors. Durch die
angegebene Lösung werden solche HiIfswicklungen überflüssig.
Die zur Steuerung erforderlichen Basisströme dieser Transistoren
sind hierbei relativ groß; leitet man sie direkt von der anderen Wicklungshälfte ab, z.B. über einen Widerstand, so fließen diese relativ
großen Basisströme jeweils durch die an sich im Augenblick nicht benutzte Wicklungshälfte und erzeugen dort ein Gegenfeld, das
dem von der anderen Wicklungshälfte erzeugten, den Motor antreibenden
Feld entgegenwirkt. Dieses Gegenfeld wirkt bei der erfindungsgemäßen Schaltung als Bremsfeld. Dieser Nachteil wird gemäß einer
sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch vermieden,
daß die den Wicklungshälften zugeordneten Leistungstransistoren jeweils
über eine Verstärkerstufe von der anderen Wicklungshälfte aus
ansteuerbar sind. Bei einer solchen Schaltungsweise fließt durch die
im Augenblick nicht benutzte Wicklungshälfte nur der Steuerstrom des
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zugeordneten Verstärkungsglieds, der so klein ist, daffJkein merkbares
Gegenfeld mehr erzeugt, d.h. die Bremswirkung durch diesen Basisstrom
ist hier vernachlässigbar kleinJweitere Einzelheiten und
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im
folgenden beschriebenen und in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispielen.
Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wechselrichters, *
Fig. 1 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Wechselrichters, bei dem das Bremsfeld im Motor verringert ist, und
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wechselrichters, bei dem zusätzliche Maßnahmen
zur Unterdrückung derjenigen Spannungsspitzen vorgesehen sind, die bei den Schaltvorgängen in den
Motorinduktivitäten entstehen.
Gleiche oder gleichwirkende Teile sind in den verschiedenen Figuren
mit den gleichen Bezugszeichen versehen. λ
Fig. 1 zeigt einen Gegentakt - Wechselrichter, der zur Speisung der
beiden in Reihe geschalteten Wicklungshälften 10 und 11 eines Wechselstrommotors
12, z.B. eines Spaltpolmotors, dient. Dieser Motor kann z.B.zum Antrieb eines Axial ventilators oder eines sonstigen
Gerätes dienen.
Die Mittelanzapfung 13 der Wicklungshälften 10 und 11 ist mit dem
Pluspol 14 einer Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt) verbindbar.
Das äußere Ende der Wicklungshälfte 10 ist mit dem Kollektor
eines als Halbleiter - Schaltelement dienenden npn-Leistungstransistors
15 verbunden, und in gleicher Weise ist das freie Ende der
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Wicklungshälfte 11 mit dem Kollektor eines als Halbleiter - Schaltelement dienenden npn-Leistungstransistors 16 verbunden. Die Emitter
der Transistoren 15 und 16 sind mit Masse und dem Minuspol 17 der Gleichspannungsquelle verbunden. Die Transistoren 15 und 16 sind
vorzugsweise paarweise ausgesucht, damit sisin ihren Charakteristiken
weitgehend übereinstimmen.
Die Basis des Transistors 15 ist über einen einstellbaren Widerstand
18 mit dem äußeren Ende der Wicklung 11 verbunden, und die Basis des Transistors 16 ist über einen einstellbaren Widerstand 19 mit
dem äußeren Ende der Motorwicklung 10 verbunden.
Parallel zu der Schaltstrecke (Emitter-Kollektor-Strecke) des Transistors
15 liegt ein RC-Glied in Form einer Serienschaltung eines
Widerstands 22 und eines Kondensators 23. In gleicher Weise liegt parallel zur Schaltstrecke des Transistors 16 eine Serienschaltung
eines Widerstands 24 und eines Kondensators 25.
Die Schaltung nach Fig. 1 arbeitet wie folgt: Nach dem Einschalten wird einer der beiden Transistoren 15 und 16
überfeine Emitter-Kollektqr-Strecke leitend, z.B. der Transistor
Dieser bewirkt ein Ansteigen des Stromes in der Wicklungshälfte 10,
bis der Sättigungspunkt des Kollektorstromes erreicht ist und letzterer daher plötzlich begrenzt wird. Durch die hierbei auftretende
plötzliche Flußänderung in der aus den Wicklungshälften
10 und 11 bestehenden Induktivität wird in der Wicklungshälfte 11
eine negative Spannung induziert, die über den Widerstand 18 auf die Basis des Transistors 15 rückgekoppelt wird und diesen sperrt.
Gleichzeitig bewirkt die Spannung an der Wicklungshälfte 10,daß
nunmehr der Transistor 16 eine positive Spannung an seiner Basis erhält und seinerseits leitend wirkt.
Derselbe Vorgang des periodischen üffnens und Schließens wiederholt
sich nun abwechselnd bei den beiden im Gegentakt geschalteten Transistoren, und zv/ar mit einer im wesentlichen konstanten Fre-
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H' Ar;r.fl7i
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quenzo Mit den Widerständen 18 und 19 ist diese Frequenz in gewissen
Grenzen beeinflußbar. Gegebenenfalls kann auch noch zwischen
die Basen der beiden Transistoren und Masse jeweils die Serienschaltung eines konstanten Widerstands und eines temperaturabhängigen
Widerstands geschaltet werden, um eine Temperaturkompensation zu erzielen.
Die RC-Glieder 22,23 und 24, 25 bewirken beim Ausschalten der Transistoren
15 bzw. 16 eine Unterdrückung der" auftretenden Spannungsspitzen, da diese über seinen Widerstand den Kondensator des R(>
Gliedes aufladen. Hierdurch werden die gefährlichen Spannungsspitzen,
auch diejenigen auf der Zuleitung, auf ungefährliche Werte
reduziert und man erhält einen sehr ruhigen Lauf des Motors Ferner ergeben sich bei einer solchen Lösung nur geringe Energieverluste,und
es können billige Bauelemente verwendet werden.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Wechselrichters. Den beiden Leistungstransistoren 15 und 16 ist hier jeweils ein npn-Verstärkertransistor 28 bzw. 29 zugeordnet.Hierzu
ist die Basis des Transistors 15 über einen Widerstand 2WEmfilter des Transistors 28 und die Basis des Transistorsl6 über
einen Widerstand 27 mit dem Emitter des Transistors 29 verbunden. Die Basis des Transistors 28 ist über einen vorzugsweise einstellbaren
Widerstand 32 mit dem äußeren Ende der Wicklung 11 verbündten,
und die Basis des Transistors 29 ist über einen ebensolchen Widerstand 33 mit dem äußeren Ende der Wicklung 10 verbunden. Die Kollektoren
der Transistoren 28 und 29 sind miteinander und über ein gemeinsames Schaltelement 34 mit der Plusklemme 14 verbunden.
Das Schaltelement 14 kann in verschiedener Weise ausgebildet sein.
In seiner einfachsten Form ist es ein verstellbarer Widerstand, mit
dessen Hilfe die Betriebsfrequenz auf einen gewünschten Wert eingestellt
wird. Zur Erleichterung des Anlaufs -- hat sich ein Kaltleiterwiederstand als sehr günstig erwiesen. Ein solcher
Widerstand hat beim Einschalten des Wechselrichters einen niedrigen
Wijjfderstand^ und ermöglicht dadurch einen raschen Anlauf.
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In Betriebszustand erhöht er seinen Widerstand und vermindert dadurch
den zu den Transistoren 28 und 29 fließenden Kollektorstrom auf den gewünschten Wert. -Eine andere Möglichkeit ist die,das
gemeinsame Schaltelement 34 als Konstantstromglied auszubilden^.
B. in Form eines Transistors, dem eine Zenerdiode als Referenzglied
zugeordnet ist» Auch kann dieses Schaltelement ein Transistor sein,
der z.B. als Stellglied eines automatischen Drehzahlreglers dient.
Auch ein spannungsabhängiger Widerstand,$oder die Kombination sole
eher Widerstände mit stabilen Widerständen ist im Rahmen der Erfindung
möglich, insbesondere bei von eineyr Batterie gespeisten Wechsel
richtern, z.B. in einem Kraftfahrzeug/ . ,_.,·..
a,$<ein temperaturabhangi ger
/ Widerstand/
Zur Erläuterung der verbesserten Arbeitsweise des Wechselrichters nach Fig. 2 soll zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen werden, und zwar
sei angenommen, daß der Transistor 15 leitend ist und dabei einen Kollektorstrom I erhält; dieser Strom I fließt durch die linke
Wicklungshälfte 10. Gleichzeitig fließt auch durch die rechte Wicklungshälfte
11 ein Basisstrom In zur Basis des Transistors 15, um
diesen leitend zu halten. I und Iß sind einander entgegengesetzt
und erzeugen deshalb entgegengesetzte Felder in den Wicklungshälften
10 und 11, mit anderen Worten, das Feld in der Wicklungshälfte
11 schwächt das Feld in der Wicklungshälfte 10, welch letzteres zum
Antrieb des Motors dient. Wenn z.B. der Basisstrom eine Größe von 10 % des Kollektorstroms. hat, wird das Antriebsfeld um 10 % geschwächt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird dieser unerwünschte Effekt weitgehend ausgeschaltet, und zwar werden hier die Basisströme
für die Transistoren 15 und 16 direkt von der Plusklemme 14 abgenommen und fließen nicht mehr durch die Wicklungshälften 10
oder 11. Durch diese Wicklungshälften fließen vielmehr nur noch die
Basisströme der Steuertransistoren 28 bzw. 29, welche nur sehr klein sind (ca. 5...10% der Basisströme der Transistoren 15 oder 16) und
daher nicht stören.
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Die Wirkungsweise ist im übrigen dieselbe wie bei Fig. 1 beschrieben,
d.h. es wird immer ein Transistorpaar 15, 28 oder 16S 29 leitend
und das andere gesperrt. Beim Erreichen des Sättigungspunktes des Kollektorstroms erfolgt in der beschriebenen Weise
die Umschaltung infolge der Flußänderung in der durch die Wicklungshälften 10 und 11 gebildeten Induktivität. (Diese Wicklungshälften sind durch das Blechpaket des Motors 12 magnetisch eng miteinander
"gekoppel t; dies gilt für alle drei Ausführungsbeispiele).
Die genaue Einstellung der gewünschten Frequenz und damit der Motordrehzahl
erfolgt beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mittels des gemeinsamen Schaltelements
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Wechselrichters, dessen Aufbau weitgehend demjenigen nach Fig. 1 entspricht.Zum Unterdrücken der beim Umschalten der Transistoren
15 und 16 auftretenden induktiven Spannungsspitzen sind hier verschiedene Maßnahmen getroffen worden. An den Verbindungspunkt 13 der Wicklungshälften 10 und 11 sind die Kathoden zweier
Dioden 38 und 39 angeschlossen; die Anode der Diode 38 ist mit derjenigen einer Zenerdiode 40, diejenige der Diode 39 mit der Anode
einer Zenerdiode 41 verbunden.Die Kathode einer Zenerdiode 40 ist ebenso wie die einer Zenerdiode 42 mit demäußeren Ende der Wick- lungshälfte
10 verbunden, und ebenso ist die Kathode der Zenerdi- ™ ode 41 und die Kathode einer Zenerdiode 43 mit dem äußeren Ende
der Wicklungshälfte 11 verbunden. Die Anoden der Zenerdioden 42
und 43, welch letztere fakultativ vorgesehen werden können, z.B. bei Verwendung von nicht spannungsfesten Transistoren, sind mit
Masse und der Minusklemme 17 verbundenen ihrer Stelle können auch Kondensatoren 44, 45 vorgesehen werden, welche jeweils zwischen die
Basis und dem Kollektor des zugeordneten Transistors 15 bzw. 16 geschaltet sind. Im Vergleich zu den Zenerdioden 42, 43, welche nur
für eine bestimmte Spannung ausgelegt werden können, haben diese Kondensatoren den Vorteil, bei allen Betriebsspannungen wirksam zu
sein. Ihre Größe muß auf die Induktivität der zugehörigen Wick-
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1ungshälfte 10 bzw„ 11 abgestimt sein. Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels
nach Fig. 3 entspricht demjenigen nach Fig. 1. Solange z.B. der Transistor 15 leitend ist, verhindert die Diode
38» daß ein Strom durch die Zenerdiode 40 fließt. Die Zenerdiode 42 ist ebenfalls gesperrt, da ihre Zenerspannung nicht erreicht
wird; (Diese liegt über der Betriebsspannung, also z.B. bei 30 V.) - Wird der Transistor 15 gesperrt, weil sein Kollektorstrom den Sättigungspunkt
erreicht hat, so entsteht an der Wicklungshälfte 10
eine Spannungsspitze, deren Spannung höher ist als die Zenerspannungen
der Zenerdioden 40 und 42, so daß über die Zenerdiode 40 und die Diode 38 ein Strom fließt, der die induktive Energie in
der Wicklungshälfte 10 vernichtet, wobei gleichzeitig durch die
Zenerdiode 42 die Schaltstrecke des Transistors 15 geschützt wird.
Derselbe Vorgang wiederholt sich in analoger Weise bei den Zenerdioden
41 und 43, wenn der Transistor 16 gesperrt wird.
Selbstverständlich können die Maßnahmen zur Unterdrückung von
Spannungsspitzen, wie sie in Fig. 3 oder Fig. 1 beschrieben sind, auch beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 verwendet werden.
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Claims (13)
1.) Gegentakt - Wechselrichter zur Speisung eines Wechselstrommotors,
mit einer Induktivität, deren Mittel anzapfung an den einen Pol einer Gleichspannungsquelle und deren äußere Wicklungsenden jeweils
über ein einer Wicklungshälfte zugeordnetes*Halbleiter Schaltelement
im Wechsel an den anderen Pol der Gleichspannungsquelle
anschließbar sind, und bei der die beiden Halbleiter Schaltelemente
mit der Induktivität eine Schwingschaltung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß beide Wickluj^shäl ften (10,11) der Induktivität
als Teile der Wicklung des^'Wechselstrommotors (12) ausgebildet
sind. Xsteuerbares
2. Wechselrichter nach Anspruch 1, bei dem die Halbleiter-Schaltelemente
als Transistoren ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des einen Transistors (15,16) jeweils
mit einem Steuersignal beaufschlagbar ist, das von der dem anderen Transistor zugeordneten Wicklungshälfte (10, 11) abgeleitet ist.
3. Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuerelektrode des einen Transistors (15,16) jeweils in geeigneter Weise, vorzugsweise über einen Widerstand (18,19,), mit dem äusseren
Wicklungsende der dem anderen Transistor zugeordneten Wicklungshälfte
(10,11) verbunden ist.
4. Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
den Wicklungshälften (10,11) zugeordneten Leistungstransistoren (15,16) jeweils über eine Verstärkerstufe (28,29) von der anderen
Wicklungshälfte aus ansteuerbar sind.
5. Wechselrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verstärkerstufen jeweils einen Transistor (28,29) aufweisen, und daß die Emitter-Kollektor-Strecken beider Verstärkertransistoren
(28,29) über ein gemeinsames Schaltelement (34) an einen Pol (14)
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der Gleichspannungsquelle anschließbar sind. (Fig. 2).
6. Wechselrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,daß
das gemeinsame Schaltelement (34) einen einstellbaren Widerstand
aufweist.
7. Wechselrichter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Schaltelement (34) einen temperaturabhängigen
Widerstand, vorzugsweise einen Kaltleiterwiderstand, aufweist.
8. Wechselrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das gemeinsame Schaltelement (34) ein Konstantstromglied aufweist.
9. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das gemeinsame Schaltelement (34) einen nichtlinearen, in gewünschter Weise steuerbaren Widerstand, z.B. einen
Transistor aufweist.
10. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß parallel zur Schaltstrecke des einer Wicklungshälfte (10,11) zugeordneten Halbleiter-Schaltelements (15,16) jeweils
ein RC-Glied (22,23,24,25) geschaltet ist (Fig. 1).
11. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß pralle! zu den Wicklungshälften (10, 11) jeweils
eine entgegengesetzt wie das zugeordnete Halbleiter-Schaltelement (15,16) gepolte Diode (38,39) geschaltet ist, und daß vorzugsweise
mit e/iÄfer Diode jeweils eine Diode mit Spannungsdurchbruchs·
charakteristik, vorzugsweise eine Zenerdiode (40,41), in Reihe geschaltet
ist (Fig. 3).
12. Wechselrichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
parallel zur Schaltstrecke der Halbleiter-Schaltelemente (15,16)
jeweils eine Diode mit Spannungsdurchbruchcharakteristik, vorzugsweise
eine Zenerdiode {42A3) geschaltet ist,welche beim Auftreten
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-11-von hohen Spannungen diese Schaltstrecke überbrückt (Fig. 3).
13. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet j daß jeweils parallel zur KoIlektorBasis-Strecke der
als Leistungstransistoren ausgebildeten Halbleiter-Schaltelemente
(15,16) ein auf die Induktivität der Wicklungshälften abgestimmter
Kondensator vorgesehen ist, welcher die Schaltgeschwindigkeit
des zugeordneten Transistors so verkleinert, daß beim Umschalten an diesem keine unzulässig hohen Spannungsspitzen entstehen.
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Priority Applications (4)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Family
ID=5806571
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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