DE4204351A1 - Schaltungsanordnung zum betreiben eines mehrphasen-synchronmotors an einem gleichspannungsnetz - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Synchronmotors mit mehrphasiger Ankerwicklung an einem Gleichspannungsnetz der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art (DE 39 40 569 A1) werden die Rechteckimpulse der Kommutierungssignale zur Gewinnung der Schaltsignale für die als Halbleiterschalter ausgebildeten gesteuerten Schalter mit vorgebbarer hoher Frequenz getaktet. Die dabei aus den Rechteckimpulsen abgeleiteten Taktimpulse bilden die Schaltsignale, die an die Steuereingänge der gesteuerten Schalter gelegt sind. Durch die Wahl des Aussteuergrades, d. h. des Verhältnisses der Pulsdauer zur Periodendauer, bei kontakter Taktfrequenz kann der Last- oder Phasensummenstrom und dadurch die Drehzahl des Synchronmotors gesteuert werden.

Zur Reduzierung des Kommutierungsgeräusches werden die periodischen Rechteckimpulse in dem der abkommutierenden Wicklungsphase zugeordneten Kommutierungssignal so verlängert, daß sie die Rechteckimpulse in dem der aufkommutierenden Wicklungsphase zugeordneten Kommutierungssignal zeitlich überlappen. Dieser Verlängerungsbereich der Rechteckimpulse wird dabei so getaktet, daß der Mittelwert des Strangstroms in der aufkommutierenden Wicklungsphase zu- und in der abkommutierenden Wicklungsphase abnimmt, und zwar vorzugsweise nach einer linearen oder e-Funktion. Die damit verbundene Geräuschreduzierung ist darin begründet, daß durch die während des Kommutierungsvorgangs in der aufkommutierenden Wicklungsphase anwachsende bzw. in der abkommutierenden Wicklungsphase abnehmende Flanke des Kommutierungsstromes das mittlere Drehmoment nicht geschaltet sondern langsam aufgesteuert wird und daß die von dem verlangsamt ansteigenden Strom verursachten Kraftwirkungen nicht stoßartig sondern gedämpft erfolgen. Durch diese "sanfte" Kommutierung werden außerdem Kommutierungsstromspitzen vermieden und damit Funkstörungen unterdrückt.

Die Taktung des Verlängerungsbereichs der Rechteckimpulse wird aus dem Vergleich des Istwertverlaufs des Phasenstroms in der jeweiligen Wicklungsphase der Ankerwicklung mit einem Sollwertverlauf des Phasenstroms gewonnen. Der Sollwertverlauf wird an einem Kondensator abgenommen, der mit Beginn eines jeden Kommutierungsvorgangs aufgeladen wird, wobei die Ladespannung an einem vom Phasensummenstrom durchflossenen Widerstand abgegriffen wird. Sollwert- und Istwerte werden Komparatoren zugeführt, deren Ausgangssignale mit den zugeordneten Steuereingängen der gesteuerten Schalter verbunden sind.

Zur Abtastung der Rechteckimpulse der Kommutierungssignale ist zwischen den Komparatoren und den Steuereingängen der gesteuerten Schalter jeweils noch ein UND-Glied eingeschaltet, dessen anderer Eingang für die Dauer eines Rechteckimpulses mit einer hohen Taktfrequenz belegt wird. Durch Änderung der Relativeinschaltdauer dieses Taktsignals wird der Laststrom und damit die Drehzahl des Synchronmotors beeinflußt.

Die vorstehend beschriebene bekannte Schaltungsanordnung ist schaltungstechnisch relativ aufwendig und entsprechend kostenträchtig in der Fertigung.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil des geringeren Bauteileaufwands bei gleich guten Ergebnissen hinsichtlich der Geräuschminderung und Leistungs- bzw. Drehzahlsteuerung des Synchronmotors. Die reduzierte Flankensteilheit der Rechteckimpulse in den Kommutierungssignalen erfolgt bevorzugt durch Bedämpfung der Kommutierungssignale mit einem einfachen RC-Glied. Die Ausgangssignale der RC-Glieder werden nach geeigneter Verstärkung einem Taktsignal mit steilen Taktflanken und sehr hoher aber variabler Taktfrequenz aufmoduliert. Das daraus hervorgehende Schaltsignal hat weiche Schaltflanken aber steile Taktflanken. Durch die weichen Schaltflanken wird die Kommutierung der gesteuerten Schalter verlangsamt gesteuert und die vorstehend beschriebene Minderung des Kommutierungsgeräusches und damit einhergehende reduzierte Funkstörung erzielt. Die Leistungssteuerung der Schalter zwecks Drehzahlbeeinflussung des Synchronmotors bleibt dadurch unbeeinflußt. Sie kann einfacher ausgeführt werden als bei der eingangs beschriebenen bekannten Schaltungsanordnung, da das Taktsignal mit konstanter aber frei wählbarer Frequenz nicht im Hinblick auf vorgegebene Einschaltzeiten geschaltet werden muß.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Schaltungsanordnung möglich.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines dreiphasigen Synchronmotors mit elektronischer Kommutierung (EC-Motor) an einem Gleichspannungsnetz,

Fig. 2 ein Diagramm verschiedener Signale in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ausschnittweise eine vergrößerte Darstellung eines bedämpften Kommutierungssignals (a), eines Taktsignals (b), eines Schaltsignals (c) und des Phasenstroms (d).

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In dem in Fig. 1 dargestellten Schaltbild ist mit 10 die dreiphasige Ankerwicklung des Synchronmotors bezeichnet, die mit ihren Wicklungssträngen oder Wicklungsphasen u, v, w im Ständer des Synchronmotors untergebracht ist. Der als Permanentmagnetrotor ausgebildete Läufer ist mit 11 bezeichnet. Er ist hier symbolisch zweipolig dargestellt, kann aber auch eine andere Polzahl aufweisen. Die Wicklungsphasen u, v, w sind an dem einen Wicklungsende zu einem Sternpunkt 12 zusammengefaßt, der aus dem Synchronmotor herausgeführt ist und an dem positiven Potential "+" des Gleichspannungsnetzes 13 angeschlossen ist. Die drei freien Wicklungsanschlüsse 14, 15, 16 sind über jeweils einen gesteuerten Schalter 17, 18, 19 mit dem negativen Potential des Gleichspannungsnetzes 13 verbunden. Die gesteuerten Schalter 17, 18, 19 sind hier als Leistungstransistoren des npn-Typs dargestellt. Bevorzugt werden jedoch Leistungs-MOSFET verwendet. Die Steuerung der Schalter 17-19 erfolgt über eine Kommutierungsvorrichtung 20 und eine dieser nachgeschalteten Signalverarbeitung 21.

Die Kommutierungsvorrichtung 20 ist mit drei am Rotorumfang feststehenden, um den gleichen Umfangswinkel gegeneinander versetzten Positionssensoren 22, 23, 24 verbunden, die entsprechend der Drehstellung des Läufers 11 Ausgangssignale H1, H2, H3 erzeugen, die in Fig. 2 dargestellt sind. In der Kommutierungsvorrichtung 20 werden diese drei Ausgangssignale H1, H2, H3 in Kommutierungssignale A1, A2, A3 umgewandelt, die gegeneinander um 2 π/3, also 120° elektrisch gegeneinander phasenverschoben sind. Jedes Kommutierungssignal A1, A2, A3 besteht aus einer Impulsfolge von Rechteckimpulsen mit einer Impulsbreite von 120° elektrisch. Die Kommutierungssignale A1, A2, A3 sind in Fig. 2 dargestellt. Jedes Kommutierungssignal A1-A3 ist einer Flankenbedämpfungseinheit 25 bzw. 26 bzw. 27 zugeführt, die im einfachsten Fall aus einem RC-Glied besteht. In jeder Flankenbedämpfungseinheit 25, 26, 27 werden die Anstiegs- und Abfallflanken der Rechteckimpulse der einzelnen Kommutierungssignale A1, A2, A3 bedämpft, wodurch einerseits die Abfallflanken der Rechteckimpulse gemäß einer abfallenden und die Anstiegsflanken gemäß einer ansteigenden Exponentialfunktion verlaufen und andererseits die Rechteckimpulse der Kommutierungssignale, die in der Kommutierung aufeinanderfolgenden Wicklungsphasen u, v, w zugeordnet sind, sich zeitlich überlappen. Die bedämpften Kommutierungssignale A1′, A2′, A3′ sind in Fig. 2 unten dargestellt. Wie dort deutlich zu sehen ist, überlappen die Anstiegsflanken der Rechteckimpulse eines bedämpften Kommutierungssignals A2′ sich mit den Abfallflanken der Rechteckimpulse des Kommutierungssignals A1′, das der in der Stromführung vorausgehenden Wicklungsphase u (abkommutierende Wicklungsphase) zugeordnet ist und die Abfallflanke der Rechteckimpulse dieses Kommutierungssignals A2′ sich mit den Anstiegsflanken der Rechteckimpulse des Kommutierungssignals A3′ , das der in der Stromführung nachfolgenden Wicklungsphase w (aufkommutierende Wicklungsphase) zugeordnet ist.

Die bedämpften Kommutierungssignale A1′, A2′, A3′ sind nach Verstärkung in einem Verstärker 28 bzw. 29 bzw. 30 einem Modulator 31 bzw. 32 bzw. 33 zugeführt. Den Modulatoren 31- 33 ist weiterhin ein von einem Taktfrequenz-Generator 34 erzeugtes Taktsignal T zugeführt, das aus einer Impulsfolge von schmalen Rechteckimpulsen mit steilen Flanken besteht. Die Frequenz der Rechteckimpulsfolge ist sehr viel größer als die Frequenz der Kommutierungssignale A1, A2, A3 bzw. A1′, A2′, A3′. Der Signalverlauf des Taktsignals ist in Fig. 3b dargestellt. In zeitlicher Zuordnung dazu zeigt Fig. 3a ausschnittweise den Signalverlauf eines einem der Modulatoren 31-33 zugeführten bedämpften Kommutierungssignal, hier des Kommutierungssignals A1′. In jedem Modulator 31, 32, 33 wird dem Taktsignal T eines der bedämpften Kommutierungssignale A1′ bzw. A2′ bzw. A3′ aufmoduliert. Die Ausgangssignale der Modulatoren 31-33 stellen die Schaltsignale für die Schalter 17-19 dar, die an den Steuereingängen der Schalter 17-19 liegen, und sind in Fig. 1 mit S1, S2, S3 bezeichnet. In Fig. 3c ist der zeitliche Verlauf eines der Schaltsignale, hier des Schaltsignals S1, ausschnittweise in Zuordnung zu dem Taktsignal T und einem der bedämpften Kommutierungssignale, hier A1′, dargestellt. Fig. 3d zeigt den Verlauf des Phasenstroms in der zugeordneten Wicklungsphase, hier den Strangstrom I_u der Wicklungsphase u. Der Aussteuergrad des Taktfrequenzgenerators 34, d. h. das Verhältnis von Pulsdauer zur Periodendauer des Taktsignals T, ist variabel, so daß durch Veränderung der Einschaltdauer der Schalter 17-19 der Laststrom des EC-Motors und damit dessen Drehzahl eingestellt werden kann.

In Fig. 1 sind die Modulatoren 31, 32, 33 schematisch als mechanische Schalter dargestellt. Jeweils einer der von dem Taktsignal T gesteuerten Schalter legt die bedämpften Kommutierungssignale A1′, A2′, A3′ mit Taktfrequenz intervallmäßig an die Steuereingänge der Schalter 17, 18, 19. Solche Modulatoren 31, 32, 33 können beispielsweise durch elektronische Schalter realisiert werden.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere unterliegt die Phasenzahl der Ankerwicklung keinerlei Beschränkung. Eine dreiphasige Ankerwicklung kann ebenfalls in Dreieck geschaltet werden. Bei einer in Stern geschalteten Ankerwicklung kann anstelle der in Fig. 1 dargestellten sog. Halbwellensteuerung auch eine Vollwellensteuerung realisiert werden. Mit dieser Vollwellensteuerung geht eine höhere Ausnutzung des EC-Motors einher. Eine solche Vollwellensteuerung ist in der DE 39 40 569 A1 dargestellt und beschrieben, so daß hier im Detail darauf nicht näher eingegangen werden muß. Insgesamt sind dabei sechs gesteuerte Schalter in einer Brückenschaltung angeordnet, wobei jeweils zwei Schalter in Reihe liegen. Die Brückenschaltung liegt an der Netzgleichspannung. Die Wicklungsanschlüsse 14, 15, 16 der Ankerwicklung 10 sind an jeweils einem Verbindungspunkt zwischen zwei in Reihe geschalteten Schaltern angeschlossen. Die Kommutierungsvorrichtung 20 erzeugt in diesem Fall aus den drei Ausgangssignalen H1, H2, H3 der Positionssensoren 22, 23, 24 zwei Gruppen von Kommutierungssignalen A1, A2, A3, wie sie in Fig. 2 mittig dargestellt sind. Die beiden Gruppen der Kommutierungssignale sind um 180° gegeneinander phasenverschoben, so daß die beiden Reihenschalter in den Phasensträngen um 180° phasenverschoben angesteuert werden.

Anstelle der Gewinnung der Schaltsignale aus den Positionssensoren 22, 23, 24 können die Schaltsignale auch durch sensorlose Positionserkennung des Rotors 11 gewonnen werden, welche die in der Ankerwicklung 10 induzierte Spannung ausnutzt. Eine solche sensorlose Positionserkennung ist beispielsweise in der DE 30 42 819 A1 beschrieben.

Anstelle eines nach einer e-Funktion ansteigenden oder abfallenden Verlaufs können die Flanken der Rechteckimpulse in den Kommutierungssignalen A1, A2, A3 durch geeignete Ausbildung der Flankenbedämpfungseinheiten 25, 26, 27 auch einen linearen Verlauf erhalten, wobei der Flankenwinkel kleiner 80° ist.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Synchronmotors mit mehrphasiger Ankerwicklung an einem Gleichspannungsnetz, mit einer Mehrzahl von den einzelnen Wicklungsphasen der Ankerwicklung zugeordneten gesteuerten Schaltern zum sukzessiven Anschließen der Wicklungsphasen an die Netzgleichspannung und mit einer Kommutierungsvorrichtung, die in Abhängigkeit von der Rotordrehstellung des Synchronmotors zueinander phasenverschobene Kommutierungssignale zur Kommutierung aufeinanderfolgend stromführender Wicklungsphasen erzeugt, die jeweils aus periodischen Rechteckimpulsen zusammengesetzt sind und zur Gewinnung von getakteten Steuersignalen für die Schalter dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die Flankensteilheit der Rechteckimpulse in jedem Kommutierungssignal (A1′, A2′, A3′) reduziert ist und die Pulsbreite der Rechteckimpulse so gewählt ist, daß die Anstiegsflanken der Rechteckimpulse eines Kommutierungssignals (A2′) sich mit den Abfallflanken des Rechteckimpulses des Kommutierungssignals (A1′), das der in der Stromführung vorausgehenden Wicklungsphase (u) zugeordnet ist, und die Abfallflanke der Rechteckimpulse dieses Kommutierungssignals (A2′) sich mit den Anstiegsflanken der Rechteckimpulse des Kommutierungssignals (A3′), das der in der Stromführung nachfolgenden Wicklungsphase (w) zugeordnet ist, jeweils zeitlich überlappen, daß jedes Kommutierungssignal (A1′, A2′, A3′) auf ein Taktsignal (T) aufmoduliert ist, das aus einer Rechteckimpulsfolge mit gegenüber der Frequenz der Kommutierungssignale (A1′, A2′, A3′) sehr viel größeren Impulsfolgefrequenz besteht, und daß die modulierten Taktsignale die Schaltsignale (S1, S2, S3) für die gesteuerten Schalter (17, 18, 19) bilden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungsvorrichtung (20) eine der Anzahl der gesteuerten Schalter entsprechende Zahl von Kommutierungssignalen (A1, A2, A3) erzeugt, die jeweils einer Flankenbedämpfungseinheit (25, 26, 27) zugeführt sind, und daß die Ausgangssignale der Flankenbedämpfungseinheiten (25, 26, 27) jeweils dem ersten Eingang einer entsprechenden Anzahl von Modulatoren (31, 32, 33) zugeführt sind, an deren zweiten Eingängen das Taktsignal (T) liegt und deren Ausgänge mit jeweils einem der Steuereingänge der Schalter (17, 18, 19) verbunden sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolge- oder Taktfrequenz für alle Taktsignale (T) gleich und der Aussteuergrad variabel ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flankenbedämpfungseinheiten (25, 26, 27) als RC-Glieder ausgebildet sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung (10) drei in Stern geschaltete Wicklungsphasen (u, v, w) aufweist, deren Sternpunkt (12) an dem oberen Potential der Netzgleichspannung liegt und die über jeweils einen gesteuerten Schalter (17, 18, 19) an dem unteren Potential der Netzgleichspannung angeschlossen sind, und daß die Rechteckimpulse der Kommutierungssignale (A1, A2, A3) eine Pulsbreite von 120° elektrisch aufweisen und die Kommutierungssignale (A1, A2, A3) zueinander um jeweils 120° phasenverschoben sind.