DE4107674A1

DE4107674A1 - Pulsed current revs. control for electric motor - uses controlled switching of current regulator switches to maintain constant mean power loss

Info

Publication number: DE4107674A1
Application number: DE19914107674
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Rackles
Original assignee: Lust Electronic Systeme GmbH
Current assignee: Lust Electronic Systeme GmbH
Priority date: 1991-03-09
Filing date: 1991-03-09
Publication date: 1992-09-10

Abstract

The rev control allows continuous adjustment of the motor revs, by using pulse width modulated signals for controlling the semiconductor switches in the current regulator supplying the electric motor. The frequency of the ON-OFF switching of the semiconductor switches is determined by the current and/or voltage in the switched current circuit. The switching-in and switching-out power losses and the power loss during operation of the semiconductor switch are inserted in a given differential equation for determining the mean power loss which is held constant by varying the other terms. ADVANTAGE- Ensures optimal utilisation of semiconductor switches.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Halb leiterschaltern, insbesondere für den Einsatz als Lei stungsschalter in elektrischen Wechselrichtern beispiels weise zur Drehzahlsteuerung von impulsbreitengesteuerten Elektromotoren.The invention relates to a method for operating half conductor switches, especially for use as Lei switch in electrical inverters for example way for speed control of pulse width controlled Electric motors.

Die Drehzahl von Elektromotoren kann in großem Umfang stu fenlos geändert werden, indem die zugehörigen Halbleiter schalter mit pulsbreitenmodulierten Signalen angesteuert werden. Die dabei verwendeten Halbleiterschalter müssen so ausgelegt sein, daß die gesamte, beim Schalten auftretende Verlustleistung ohne Schaden für den Halbleiterschalter ab geführt werden kann. Die Verlustleistung hängt zunächst ganz allgemein von der geschalteten Last ab; je geringer beispielsweise der Schaltstrom ist, desto geringer ist auch die Verlustleistung im Halbleiterschalter, während umge kehrt bei hohen Schaltströmen auch die Verlustleistung hoch ist. Die Belastung des Halbleiterschalters hängt damit stark von der geschalteten Last ab, so daß eine Auslegung des Gerätes erforderlich ist, die auch im ungünstigsten Falle noch ein sicheres Schalten bei einer gerade noch er träglichen Beanspruchung des Halbleiterschalters gewährlei stet.The speed of electric motors can stu on a large scale can be easily changed by the associated semiconductors switch controlled with pulse width modulated signals will. The semiconductor switches used here must be like this be designed so that the entire occurring when switching Power loss without damage to the semiconductor switch can be performed. The power loss initially depends generally depends on the switched load; the less For example, the switching current is the lower the power loss in the semiconductor switch, while vice If the switching currents are high, the power loss also returns is. The load on the semiconductor switch depends on it heavily on the switched load, so that an interpretation of the device is required, even at the worst If there is still a safe shift with just one guarantee the wear and tear of the semiconductor switch continuous

Die Erfindung hat sich demzufolge die Aufgabe gestellt, Halbleiterschalter der eingangs näher bezeichneten Art so zu steuern, daß sie unabhängig von der jeweils zu schalten den Last stets etwa die gleiche Verlustleistung abgeführt werden muß, so daß sie von dieser Seite her optimal ausge legt werden können.The invention is therefore based on the object Semiconductor switch of the type specified in the introduction to control that they switch independently of each the load always dissipated approximately the same power loss must be so that they optimally from this side can be placed.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schaltfrequenz beim Ein- und/oder Ausschalten eines solchen Halbleiterschalters von dem elektrischen Schaltstrom und/oder der elektrischen Spannung des geschalteten Strom kreises bestimmt wird, wobei bei einer vorgegebenen mittle ren Verlustleistung des gesamten Schaltzyklus, die sich aus der Verlustleistung P_E beim Einschalten, der Ver lustleistung P_A beim Ausschalten und der Verlustleistung P_B beim Betrieb des Halbleiterschalters gemäßAccording to the invention the object is achieved in that the switching frequency when switching on and / or off such a semiconductor switch from the electrical switching current and / or the electrical voltage of the switched circuit is determined, with a predetermined mean power loss of the entire switching cycle, which from the power loss P _E when switching on, the power loss P _A when switching off and the power loss P _B when operating the semiconductor switch according to

zusammensetzt, deren einzelne Terme so variiert werden, daß die mittlere Verlustleistung P etwa konstant gehalten wird. Dabei ist es besonders einfach, wenn die Zeitanteile der einzelnen Terme verändert werden. In einfacher Weise kann die Erfindung dadurch verwirklicht werden, daß bei einer Verringerung des elektrischen Schaltstromes und/oder der elektrischen Spannung der Zeitanteil für das Einschalten und/oder das Ausschalten und damit die jeweils zugehörige Schaltfrequenz erhöht wird. Es ist auch denkbar, daß bei Veränderung des Verhältnisses der Zeitdauer von ein- und ausgeschaltetem Zustand die Schaltfrequenz geändert wird, wobei bei Schaltelementen, die mit dem Halbleiterschalter zusammenwirken und deren mittlere Verlustleistung P′ sich von derjenigen des Halbleiterschalters P unterscheidet, die Schaltfrequenz in Abhängigkeit beider Verlustleistungen P und P′ geändert wird. Es ist vorteilhaft, wenn die Schalt frequenz bei einem impulsbreitengesteuerten Elektromotor in dessen Teillastbereich soweit erhöht wird, daß keine stö renden Geräusche im Elektromotor entstehen.composed, the individual terms are varied so that the average power loss P is kept approximately constant. It is particularly easy if the time shares of the individual terms can be changed. In a simple way the invention can be realized in that at a Reduction of the electrical switching current and / or electrical voltage the proportion of time for switching on and / or switching off and thus the associated Switching frequency is increased. It is also conceivable that at Change in the ratio of the duration of one and switched off, the switching frequency is changed, with switching elements that are connected to the semiconductor switch interact and their average power loss P 'themselves differs from that of the semiconductor switch P which Switching frequency depending on both power losses P and P 'is changed. It is advantageous if the switching frequency with a pulse width controlled electric motor in whose partial load range is increased so that no interference noises in the electric motor.

Durch die Erfindung ist der Einsatz eines Halbleiterschal ters möglich, der lediglich für die mittlere Verlustlei stung ausgelegt ist; er wird demzufolge bei allen Schal tungen voll ausgenutzt. Während bei geringerer Belastung die Schaltfrequenz erhöht wird, um die Verlustleistung P zu realisieren (die im übrigen nicht groß ist und demzufolge im gesamten Leistungshaushalt einer elektrischen Anlage vernachlässigt werden kann), wird sie demgegenüber bei ho her Schaltleistung verringert. Damit ist es möglich, den Halbleiterschalter optimal auszulegen.The invention enables the use of a semiconductor scarf ters possible only for the medium loss loss is designed; consequently he will be in all scarf fully exploited. While at lower loads the switching frequency is increased to the power loss P too realize (which, by the way, is not large and therefore in the entire power budget of an electrical system can be neglected), in contrast, it is ho ago switching power reduced. This makes it possible to Optimal design of semiconductor switches.

In einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigenIn one embodiment, the invention becomes even closer explained. Show it

Fig. 1 die Augenblickswerte der Kollektor-Emitter-Span nung u_CE und des Kollektorstromes i_C in einem Transistor in einem Strom/Spannungs-Zeit-Schau bild, Fig. 1, the instantaneous values of the collector-emitter voltage-u _CE and the collector current i _C in a transistor in a current / time-diagram

Fig. 2 die Augenblickswerte der Verlustleistung P = u_CE · i_C im gleichen Transistor in einem Leistungs-Zeit-Schaubild und Fig. 2 shows the instantaneous values of the power loss P = u _CE · i _C in the same transistor in a power-time diagram and

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsge mäßen Verfahrens. Fig. 3 shows a device for performing the method according erfindungsge.

Aus der Zeichnung (Fig. 1, 2) ist zu erkennen, daß sich die Verluste aus den Schaltverlusten beim Ein- und Ausschalten sowie den Durchlaßverlusten bei durchgeschaltetem Transi stor zusammensetzen. Dabei sind die Verlustleistungen wäh rend der Schaltvorgänge größer als die Verlustleistung in der Zeit, in der der Transistor eingeschaltet ist. Im aus geschalteten Zustand des Transistors ist die Verlustlei stung näherungsweise gleich null. Die mittlere Verlustlei stung im Schaltelement hängt von der Zeitdauer der einzel nen Schaltzustände sowie von der Leerlaufspannung und dem Kollektorstrom ab. Sie ergibt sich zuFrom the drawing ( Fig. 1, 2) it can be seen that the losses from the switching losses when switching on and off and the transmission losses when the transi stor is composed. The power losses during the switching operations are greater than the power loss during the time in which the transistor is switched on. In the off state of the transistor, the power loss is approximately zero. The mean power loss in the switching element depends on the duration of the individual switching states as well as on the open circuit voltage and the collector current. It results in

Eine Änderung der einzelnen Terme der vorstehenden Summen formel, etwa durch Veränderung der Schaltfrequenz (was zur Veränderung der Ein-und/oder Ausschaltverluste führt), er möglicht es, die mittlere Verlustleistung in ganz engen Grenzen zu halten. Sie bestimmt wesentlich die Baugröße des Halbleiterschalters.A change in the individual terms of the above sums formula, for example by changing the switching frequency (which results in Change in the on and / or off losses leads), he enables the average power loss to be very narrow Keep limits. It essentially determines the size of the Semiconductor switch.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfah rens. Es handelt sich um einen pulsbreitenmodulierten Wech selrichter, dessen Halbleiterschalter a1, a2, b1, b2, c1, c2 von der Steuerung 1 so angesteuert werden, daß sich in einem angeschlossenen Motor 3 näherungsweise sinusförmige Ströme ergeben, die mit den Stromwandlern 2 gemessen wer den. Die Steuerung 1 erhält als Eingangsgrößen die Frequenz des Ausgangsdrehfeldes f* den Sollwert U* der Ausgangs spannungen U_a, U_b, U_c. Fig. 3 shows an apparatus for performing the procedure. It is a pulse width modulated inverter, the semiconductor switches a 1 , a 2 , b 1 , b 2 , c 1 , c 2 are controlled by the controller 1 so that there are approximately sinusoidal currents in a connected motor 3 , which with the current transformers 2 who measured the. The controller 1 receives as input variables the frequency of the output rotating field f *, the target value U * of the output voltages U _a , U _b , U _c .

Die Schaltfrequenz der Halbleiterschalter wird von der Steuerung 1 in Abhängigkeit der in den Stromwandlern 2 ge messenen Ströme in der Weise verstellt, daß trotz höherer Schaltfrequenz die Mittelwerte der Ausgangsspannungen dem Sollwert entsprechen.The switching frequency of the semiconductor switch is adjusted by the controller 1 as a function of the currents measured in the current transformers 2 in such a way that, despite the higher switching frequency, the mean values of the output voltages correspond to the target value.

Claims

1. A method for operating semiconductor switches, in particular for use as a circuit breaker in electrical inverters, for example for speed control of pulse-width-controlled electric motors, characterized in that the frequency of switching on and off such a semiconductor switch from the electrical switching current and / or the electrical Voltage of the switched circuit is determined, according to a predetermined average power loss of the entire switching process, which results from the power loss P _E when switching on, the power loss P _A when switching off and the power loss P _B during operation of the semiconductor switch composed, the individual terms are varied so that the average power loss P is kept approximately constant.

2. The method according to claim 1, characterized in that the time portions of the individual terms are changed.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that with a reduction in the electrical switching current and / or the electrical voltage, the proportion of time for the Switch on and / or switch off and thus each associated switching frequency is increased.

4. The method according to claim 1, characterized in that when changing the ratio of the duration of input and switching off the switching frequency is changed.

5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that with switching elements that with the semiconductor switch too interact and their average power loss P 'of differs from that of the semiconductor switch P which Switching frequency depending on both power losses P and P 'is changed.

6. The method according to claim 1 and 5, characterized in that the switching frequency with a pulse width controlled Electric motor is increased so far in its partial load range, that there are no disturbing noises in the electric motor.