DE4204645A1 - Strombegrenzungsschaltung fuer elektromotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzungsschaltung für elek­ tronisch gesteuerte Elektromotoren, bei denen der Statorstrom durch elektronische Leistungsschaltglieder in vorgebbaren Dreh­ winkelbereichen eingeschaltet wird.

Bei Elektromotoren, deren Statorstrom nur in den drehmomentbil­ denden Drehwinkelbereichen eingeschaltet wird, beträgt die wäh­ rend des Motoranlaufs durch die Statorwicklungen und die diese schaltenden Leistungsschaltglieder ohne Gegenmaßnahmen ein mehr­ faches der Nennstromstärke, weil bei kleinen Drehzahlen zu lange Zeit für den Anstieg des Statorstroms gegen den induktiven Wider­ stand der Statorwicklungen zur Verfügung steht.

Insbesondere, wenn eine drehwinkelfeste Kommutation vorgesehen ist und als Leistungsschaltglieder Transistoren eingesetzt sind, müssen letztere, damit sie durch die während des Motoranlaufs fliegenden hohen Ströme nicht beschädigt werden, für die auftre­ tenden Anlaufströme bemessen werden, womit sie sehr teuer werden können.

Es sind Strombegrenzungsschaltungen bekannt, die die Anlaufströme durch Regelung der Zeitdauer, während der durch die Leistungs­ schaltglieder Strom fließt, begrenzen, wie es insbesondere bei Pulsbreitenmodulations-Motorsteuerschaltungen üblich ist. Dazu wird beispielsweise mittels eines Stromfühlers der durch die Sta­ torwicklung(en) des Motors fliegende Strom und/oder die Drehzahl des Motors erfaßt, wobei solche Signale einer den Stromflußwinkel in den Leistungsschaltgliedern regelnden Regelschaltung zugeführt werden. Solche bekannten Schaltungen sind recht teuer und stellen deshalb für in kleineren Elektrogeräten, wie Gebläsen und Elek­ trosauggeräten eingebaute Elektromotoren einen zu hohen Kosten­ faktor dar.

Weiterhin sind Anlaufstrombegrenzungen bekannt, bei denen Vorwi­ derstände zur Begrenzung des Motorstroms eingesetzt werden. Diese Vorwiderstände müssen jedoch nach dem Anlauf des Motors über­ brückt werden, was z. B. drehzahlabhängig erfolgen kann.

Wenn als Leistungsschaltglieder Feldeffekttransistoren mit iso­ lierter Gateelektrode eingesetzt werden, läßt sich der Motorstrom in einfacher Weise auf mehrere parallel geschaltete Feldeffekt­ schalttransistoren aufteilen. Als Überspannungsschutz werden sol­ chen Feldeffekttransistoren üblicherweise Varistoren parallel ge­ schaltet, deren Strom-Spannungscharakteristiken unvermeidbare Herstellungstoleranzen aufweisen. Aus diesem Grund würde einer der Varistoren der Parallelschaltung die beim Abschalten des Sta­ torspulenstroms entstehende Induktionsspannung zeitlich vor den anderen Varistoren durchlassen. Durch die dadurch bedingte Erwär­ mung dieses Varistors wird dieser unerwünschte Vorgang noch ver­ stärkt, wodurch die Gefahr des Ausfalls der ganzen Ansteuerschal­ tung verbunden ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Strombegren­ zungsschaltung so zu ermöglichen, daß die Statorstromstärke bzw. die durch die parallel geschalteten Leistungsschaltglieder flie­ ßende Stromstärke in allen Drehzahlbereichen, also auch beim An­ lauf nicht wesentlich höher als die bei Betriebsdrehzahl auftre­ tende Stromstärke wird.

Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Zeitgeberschaltung vorgesehen ist, welche die Zeitdauer des Sta­ torstromflußes bei niedrigen Drehzahlen des Elektromotors auf ei­ nen Wert begrenzt, daß vorgegebene Leistungsgrenzwerte der Lei­ stungsschaltglieder sicher nicht überschritten werden.

Die erfindungsgemäße Zeitgeberschaltung bewirkt, daß jeder Lei­ stungsschalter, unabhängig von der Drehzahl, nur für etwa die gleiche Zeit wie bei der Betriebsdrehzahl eingeschaltet wird, so daß der durch den Leistungsschalter fließende Strom nur etwa die bei Betriebsdrehzahl auftretende Stromstärke erreichen kann. Der Einschaltzeitbeginn wird, wie bei Elektronikmotoren bekannt, z. B. mittels eines Magnetfeldsensors oder auch mit einer Lichtschran­ kenkommutationseinheit bestimmt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Einphasen-Elektro­ motor eingesetzt, dessen Statorspulen zusammen mit je einem ihnen zugeordneten Leistungsschaltglied und den zugehörigen Schutzglie­ dern, insbesondere Varistoren eigene Stromkreise bilden, die par­ allel geschaltet sind, wobei die Steuerelektroden der Leistungs­ schaltglieder parallel mittels einer Lichtschrankenkommutation­ seinheit angesteuert werden, die eine Kommutationswinkel vorge­ bende Blendenscheibe auf der Rotorwelle aufweist.

Bevorzugt weist die Lichtschrankeneinheit einen Optokoppler auf, wobei die Ausgangssignale eines im Optokoppler enthaltenen Photo­ transistors als Eingangssignale der Zeitgeberschaltung zugeführt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird als zeitbestimmendes Glied der Zeitgeberschaltung eine R-C-Schaltung vorgesehen, wobei die Kapazität der R-C-Schaltung über eine Triggerschaltung durch das Ausgangssignal des Phototransistors aufladbar ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Widerstand der R-C-Schaltung einstellbar, wodurch sich die Drehzahl in ge­ wissen Bereichen einstellen läßt.

Als Triggerschaltung kann eine handelsübliche Schmitt-Trigger­ schaltung eingesetzt werden, die als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist.

Alternativ zu der bevorzugten Ausführung mit einer diskret ausge­ führt zeitbestimmenden Schaltung kann auch eine handelsübliche integrierte Zeitgeberschaltung eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Strombegrenzungsschaltung wird bevorzugt durch eine von der Motorstromversorgung durch eine Potential­ trennstufe, beispielsweise einen Transformator getrennte Stromver­ sorgungseinheit versorgt, und ein funkengeschützter Schalter, beispielsweise ein Reedschalter ist zum Einschalten der Strombe­ grenzungsschaltung vorgesehen.

Vorteilhafterweise erreicht man bei Elektronikmotoren der vorlie­ genden Art mit einsträngiger Ausführung mit zwei parallel ge­ schalteten, die Leistungsschaltglieder aufweisenden Statorstrom­ kreisen eine kostengünstige Bauweise mit hohem Wirkungsgrad.

Wenn bei noch höheren Motorleistungsanforderungen eine weiterge­ hende Teilung des Motorstromes vorteilhaft ist, werden jeweils zwei Statorspulen mit eigenen parallelen Stromkreisen auf jeder Polseite angeordnet.

Die erfindungsgemäße Strombegrenzungsschaltung erlaubt es vor­ teilhafterweise, zur Beschleunigung des Anlaufs die Einschaltzeit etwas länger als die zur Betriebsdrehzahl gehörende festzulegen, weil bei der bevorzugt eingesetzten winkelfesten Lichtschranken­ kommutationseinheit die Einschaltzeit der Leistungsschaltglieder auch beendet wird, wenn bei höheren Drehzahlen der von der Rotor­ drehung abhängige Einschaltwinkelbereich früher endet. Damit kann sich die Drehzahl in einem festlegbaren Bereich lastabhängig ein­ stellen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Ein- und Ausschaltzustände des Statorstrom­ flusses vorgesehen, wobei die Zeitdauer beider Schaltzustände festgelegt ist. Zu diesem Zweck sind hinter der Lichtschranke Schaltmittel angeordnet, welche den Statorstrom über einen oder mehrere Schalttransistoren in festgelegten Zeitabständen ein- und ausschalten. Dieser Schaltvorgang kann beispielsweise mittels ei­ ner astabilen Kippschaltung bewirkt werden, welcher zur Verbesse­ rung der Flankensteilheit ein Schmitt-Trigger nachgeschaltet ist.

Nachfolgend wird die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Schematisch eine Draufsicht auf einen Einphasen-Elek­ tromotor mit einem Statorpolpaar;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Blendenscheibe mit Licht­ schranke;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Blendenscheibe mit Licht­ schranke;

Fig. 4 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strombegrenzungsschaltung; und

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strombegrenzungsschaltung.

Zunächst wird anhand der Fig. 1 bis 3 eine Ausführung eines Ein­ phasen-Elektromotors mit einem Statorpolpaar und einer dazu gehö­ renden Lichtschrankenkommutationseinheit beschrieben, die bei der Erfindung bevorzugt eingesetzt werden.

In Fig. 1 ist ein Stator 1 mit Statorwicklungen 2 dargestellt, der einen Reluktanzrotor 3 um eine Rotorwelle 4 rotieren lädt. Am Stator 1 ist vorzugsweise ein kleiner Permanentmagnet so angeord­ net, daß er den Rotor 3 beim Auslauf in einer für den Anlauf gün­ stigen Stellung stoppt, so daß Licht durch die Blendenscheibe der Lichtschrankenkommutationseinheit fällt, die nachstehend be­ schrieben wird. In den Fig. 2 und 3 ist eine Blendenscheibe 6 dargestellt, die sich mit der Rotorwelle 4 dreht. Die Blenden­ scheibe 6 weist sektorförmige Ausschnitte 7 auf, durch die das Licht von einer in einer Lichtschranke 8 eingebauten Photodiode 9 auf einen Phototransistor 10 fallen kann. Bei Drehung des Rotors und der Blendenscheibe 6 wird aufgrund der nicht ausgeschnittenen Randbereiche der Blendenscheibe 6 das Licht der Lichtschranke in­ termittierend unterbrochen. Somit bestimmen die Lagen der seitli­ chen Kanten der Ausschnitte 7 und die Winkelstellung der Steuer­ scheibe 6 den Kommutationsanfangs- und Endwinkel. Die Licht­ schrankenkommutationseinheit gemäß den Fig. 2 und 3 für den in Fig. 1 dargestellten Reluktanzmotor ist Gegenstand der älteren deutschen Patentanmeldung P 41 02 263.7. Die Steuerscheibe 6 ist auf dem Rotor 4 so angeordnet, daß durch die Ausschnitte 7 das Licht von der Lichtschrankeneinheit 8 angeordneten Leuchtdiode 9 dann freigegeben wird, wenn der Rotor in einen drehmomentwirksa­ men Winkelbereich eintritt.

In Fig. 4 ist die Erfindung in einer ersten Ausführungsform dar­ gestellt. In Übereinstimmung mit Fig. 1 sind die Statorspulen mit 2 bezeichnet. Sie werden jeweils in eigenen Ansteuerstromkreisen durch einen Feldeffekttransistor 20 angesteuert, dem ein Über­ spannungsableiter 27, beispielsweise ein Varistor parallel ge­ schaltet ist. Parallel zu den Statorspulen 2 liegen außerdem je­ weils eine Freilaufdiode 25 und ein Freilaufwiderstand 26. Beide Ansteuerstromkreise sind parallel geschaltet und werden von einer Netzphase über einen Vollweggleichrichter 19 gespeist. Die in der rechten Hälfte der Fig. 4 dargestellte Strombegrenzungsschaltung ist vom Netz durch einen Trenntransformator 16 potentialmäßig ge­ trennt und wird mit Gleichspannung durch eine Vollweggleichrich­ terschaltung 29 über einen Reedschalter 71, 72 gespeist.

Die mit 53 bezeichnete Lichtschrankeneinheit, die die erwähnte Leuchtdiode 10 und den Phototransistor 9 enthält, wird über einen Vorwiderstand 15 mit Speisespannung versorgt. Der Phototransistor 9 ist an seinem Ausgang mit einem ersten Eingang a einer inte­ grierten Mehrfach-Schmitt-Triggerschaltung 50 verbunden und liegt über einen Widerstand 51 am +Pol der Speisespannung. Sobald die Lichtschranke 53 freigegeben wird, schaltet der Phototransistor 9 durch, und das Potential am ersten Eingang a der Schmitt-Trigger­ schaltung 50 geht tief. Die Schmitt-Triggerschaltung 50 inver­ tiert dieses Signal und erzeugt an ihrem ersten Ausgang b ein po­ sitives Spannungssignal. Die erfindungsgemäße Strombegrenzungs­ schaltung weist weiterhin einen NPN-Transistor 54 und einen PNP- Transistor 55 auf, die mit ihren Emitter- und Basisanschlüssen zusammengeschaltet sind. Das positive Spannungssignal am ersten Ausgangsanschluß b schaltet den NPN-Transistor 54 über ein Basis­ ansteuerglied aus einem Widerstand 56 und einem Kondensator 70 durch und sperrt gleichzeitig den PNP-Transistor 55. Über den NPN-Transistor 54, den Widerstand 52 und einen Widerstand 57 wird nun ein Kondensator 58 aufgeladen. Der Stromfluß endet, sobald der Kondensator 58 geladen ist. Die Zeitdauer des Ladestromflußes wird im wesentlichen durch den Widerstandswert des Widerstandes 57 und die Kapazität des Kondensators 58 bestimmt. Bevorzugt ist der Widerstand 57 einstellbar ausgeführt, wodurch sich die Mo­ tordrehzahl in bestimmten Grenzen einstellen lädt. Solange Lade­ strom in den Kondensator 58 fließt, liegt ein zweiter Eingang c der Schmitt-Triggerschaltung 50 auf tiefem Potential. Dadurch gibt ein zweiter Ausgang d der Schmitt-Triggerschaltung 50 ein positives Spannungssignal ab, das über eine Verbindungsleitung AG und zwei gleichgroße Gatewiderstände 59 den Gateelektroden der Feldeffekttransistoren 20 anliegt und diese solange einschaltet, wie der Kondensator 58 geladen wird.

Sobald die Steuerscheibe 6 das Licht von der Leuchtdiode 10 zum Phototransistor 9 unterbricht, läuft der Vorgang umgekehrt wie folgt ab: Der Ausgang des Phototransistor 9 geht auf tiefes Po­ tential, so daß die Schmitt-Triggerschaltung 50 an ihrem ersten Ausgang b den NPN-Transistor 54 sperrt und den PNP-Transistor 55 durchschaltet, so daß sich der Kondensator 58 über die Kollektor- Emitterstrecke des PNP-Transistors 55 und den Widerstand 57 ent­ lädt. Mit gesperrtem NPN-Transistor 54 liegt dessen Kollektor auf hohem Potential, so daß der zweite Ausgang d der Schmitt-Trigger­ schaltung tiefes Potential liefert, das seinerseits über die Lei­ tung AG die Leistungstransistoren 20 sperrt. Somit hängt nur der Einschaltzeitpunkt der Feldeffekttransistoren 20 von der Zeitkon­ stanten des aus Widerstand 57 und Kondensator 58 bestehenden R-C- Glieds ab und nicht die Ausschaltzeitdauer der Feldeffekttransi­ storen 20. Damit wird bei höheren Drehzahlen die von der Rotor­ drehzahl abhängige Einschaltdauer früher beendet, so daß sich die Drehzahl in einem festlegbaren Bereich lastabhängig einstellen kann. Der Kondensator 70, der von dem ersten Ausgang b der Schmitt-Triggerschaltung 50 zur Masse- bzw. Sammelleitung AS ge­ schaltet ist, bewirkt, daß der NPN-Transistor 54 nicht sofort sperrt, wenn das Signal am ersten Ausgang b der Schmitt-Trigger­ schaltung 50 tief geht, so daß der NPN-Transistor 54 auch dann ausreichend lang durchgeschaltet bleibt, wenn das Ausgangssignal des Phototransistors 9 nur sehr kurz ist. Dann kann auch eine Re­ flexlichtschranke, beispielsweise mit zwei spiegelnden Flächen am Rotor verwendet werden.

Der bei der Erfindung bevorzugt eingesetzte lichtschrankenkommu­ tierte Motor läßt sich vorteilhafterweise in explosionsgefährde­ ten Bereichen einsetzen. Dazu wird außerdem in der positiven Speiseleitung zu der erfindungsgemäßen Strombegrenzungsschaltung ein Reedschalter 71, 72 zum Einschalten der Strombegrenzungs­ schaltung und der Kommutationsschaltung eingesetzt.

Die in Fig. 5 dargestellte Variante einer erfindungsgemäßen Strombegrenzungsschaltung zeigt nur den rechts von den Speiselei­ tungen +, - und den Verbindungsleitungen A^G und A^S zu den Lei­ stungsschaltgliedern liegenden Schaltungsteil. Dabei sind mit den Elementen in Fig. 4 gleiche oder vergleichbare Elemente mit den­ selben Bezugsziffern bezeichnet. Anders als bei der Ausführung gemäß Fig. 4 ist als zeitbestimmendes Glied ein Übertrager 61, bestehend aus einer Primärspule P, einer Sekundärspule S und ei­ nem Ferritkern K eingesetzt.

Sobald der Phototransistor 9 der Lichtschrankeneinheit 53 durch­ schaltet, geht das Potential am ersten Eingang a der Schmitt- Triggerschaltung 50 tief. Positives Potential am ersten Ausgang b der Schmitt-Triggerschaltung 50 schaltet über einen Basiswider­ stand 64 einen NPN-Transistor 60 durch, so daß Strom durch die Primärspule P des Übertragers 61 fliegen kann. Solange dabei die­ ser Strom gegen den induktiven Widerstand der Primärspule P an­ steigt, wird in der Sekundärspule S des Übertragers 61 eine Span­ nung induziert. Die Induktivität der Primärspule bestimmt die Stromflußzeit in der Sekundärspule S. Solange Strom in der Sekun­ därspule S fließt, wird ein weiterer NPN-Transistor 62 über eine Diode 63 eingeschaltet. Die Diode 63 verhindert, daß der Transi­ stor 62 auch während des Stromabfalls in der Primärspule einge­ schaltet wird. Während der Transistor 62 leitet, geht das Poten­ tial am zweiten Eingang c der Schmitt-Triggerschaltung 50 tief, und letztere erzeugt am zweiten Ausgang d hohes Potential, wel­ ches die Feldeffekttransistoren 20 gemäß Fig. 4 über die Leitung AG durchschaltet.

Der Ferritkern K des Übertragers 61 kann als einstellbarer Eisen­ rückschluß ausgebildet sein, so daß sich die Induktivität der Primärspule P des Übertragers 61 in gewissen Grenzen einstellen läßt. Dadurch ist, ähnlich wie bei der Schaltung gemäß Fig. 4 durch Variation des Widerstandswerts 57, die Drehzahl des Motors in gewissen Bereichen einstellbar.

Obwohl in der obigen Beschreibung die Erfindung in Zusammenhang mit einem Einphasen-Reluktanz-Elektromotor mit Lichtschrankenkom­ mutationseinheit beschrieben wurde, läßt sich das erfindungsgemä­ ße Prinzip der Steuerung der Zeitdauer des Statorstromflußes auch im Zusammenhang mit anderen, durch Leistungsschaltglieder ange­ steuerten Elektromotoren einsetzen. Selbstverständlich gilt dies auch für den Einsatz des erfindungsgemäßen Prinzips bei Mehrpha­ senmotoren.

Obwohl die beiden anhand der Fig. 4 und 5 beschriebenen Möglich­ keiten, die Zeitdauer des Statorstromflußes bei niedrigen Dreh­ zahlen entweder mittels eines R-C-Gliedes oder durch eine Induk­ tivität in der Weise der Fig. 5 zu begrenzen, können sinngemäß auch andere zeitbestimmende Elemente, z. B. übliche Verzögerungs­ schaltungen, eingesetzt werden.

Claims (11)

1. Strombegrenzungsschaltung für elektronisch gesteuerte Elek­ tromotoren, bei denen der Statorstrom durch elektronische Lei­ stungsschaltglieder in vorgebbaren Drehwinkelbereichen einge­ schaltet wird, gekennzeichnet durch eine Zeitgeberschaltung (50- 58, 70), welche die Zeitdauer des Statorsstromflußes, insbesonde­ re bei niedrigen Drehzahlen des Elektromotors (1) auf einen die vorgegebenen Leistungsgrenzwerte der Leistungsschaltglieder (20) nicht überschreitenden Wert begrenzt.

2. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Einphasen-Elektromotor, dessen Statorspulen (2) mit einem oder mehreren Schalttransistoren (20) als Leistungsschalt­ glieder verbunden sind, wobei die Steuerelektroden (G) des oder der Schalttransistoren durch eine Lichtschrankenkommutationsein­ heit (4, 6, 8, 9, 10) angesteuert werden, die eine Kommutations­ winkel vorgebende Blendenscheibe (6) auf der Rotorwelle (4) auf­ weist.

3. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Statorspulen (2) zusammen mit je einem ihnen zugeordneten Schalttransistors (20) eigene Stromkreise bilden, die parallel geschaltet sind, wobei die Steuerelektroden (G) par­ allel durch die Lichtschrankenkommutationseinheit (4, 6, 8, 9, 10) angesteuert werden.

4. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 2 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lichtschrankenkommutationseinheit einen Op­ tokoppler (9, 10) aufweist, wobei die Ausgangssignale eines Pho­ totransistors (9) des Optokopplers als Eingangssignale der Zeit­ geberschaltung zugeführt werden.

5. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als zeitbestimmendes Glied der Zeitgeberschaltung eine R-C-Schaltung (57, 58) vorgesehen ist, deren Kapazität (58) über eine Triggerschaltung (50) durch das Ausgangssignal des Pho­ totransistors (9) aufladbar ist.

6. Strombegrenzungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als zeitbestimmendes Glied der Zeit­ geberschaltung ein Übertrager (61) vorgesehen ist, wobei der Übertrager primärseitig mit den Ausgangssignalen des Phototransi­ stors (9) über eine Triggerschaltung (50) beaufschlagt wird.

7. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Übertrager aus einer Primärspule (P), einer Se­ kundärspule (S) und einem Ferritkern (K) besteht, wobei der Fer­ ritkern (K) als einstellbarer Eisenrückschluß ausgebildet ist.

8. Strombegrenzungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeitgeberschaltung eine handels­ übliche integrierte Schaltung eingesetzt ist.

9. Strombegrenzungsschaltung nach einem oder mehreren der vor­ angehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Speisespannung des Elektromotors potentialmäßig getrennte Gleich­ richterschaltung (29) zur Stromversorgung der Strombegrenzungs­ schaltung vorgesehen ist und daß der Speisestrom der Strombegren­ zungsschaltung über einen funkengeschützten Schalter, insbesonde­ re einen Reedschalter zugeführt wird.

10. Strombegrenzungsschaltung nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere zeitlich auf­ einanderfolgende Ein- und Ausschaltzustände des Statorstromflus­ ses, wobei die Zeitdauer beider Schaltzustände festgelegt ist.

11. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine astabile Kippschaltung, welcher insbesondere ein Schmitt-Trigger nachgeschaltet ist.